O nouă enzimă artificială arată potențialul pentru o nouă sursă de energie regenerabilă

S-a demonstrat că o nouă enzimă artificială mestecă lignina, polimerul dur care ajută plantele lemnoase să-și păstreze forma. Lignina stochează, de asemenea, un potențial extraordinar de energie și materiale regenerabile.

O nouă enzimă artificială descompune lignina lemnoasă rezistentă.

Cercetarea arată promițătoare pentru dezvoltarea unei noi surse de energie regenerabilă.

S-a demonstrat că o nouă enzimă artificială mestecă lignina, polimerul dur care ajută plantele lemnoase să-și mențină structura. Lignina stochează, de asemenea, un potențial extraordinar de energie și materiale regenerabile.

Reportaj astăzi (31 mai 2022) în revistă comunicații cu naturaO echipă de cercetători de la Universitatea de Stat din Washington și Laboratorul Național de Nord-Vest al Departamentului de Energie (PNNL) a arătat că enzima lor artificială a reușit să digere lignina, care s-a încăpățânat să reziste încercărilor anterioare de a o transforma într-o sursă de energie.energie utilă economic.

Lignina, care este a doua cea mai abundentă sursă de carbon regenerabilă de pe Pământ, este în mare parte risipită ca sursă de combustibil. Când lemnul este ars pentru gătit, produsele secundare ale ligninei contribuie la conferirea acelei arome de fum alimentelor. Dar arderea eliberează tot acel carbon în atmosferă, în loc să-l capteze pentru alte utilizări.

Xiao Zhang și Chun Long Chen

Cercetătorii Xiao Zhang (stânga) și Chun-long Chen (dreapta) examinează produsele de digestie a ligninei folosind noul lor catalizator peptoid biomimetic. Credit: Fotografie de Andrea Starr, Pacific Northwest National Laboratory

„Enzima noastră biomimică s-a dovedit promițătoare în degradarea ligninei reale, ceea ce este considerat o descoperire”, a spus Xiao Zhang, autor corespondent al lucrării și profesor asociat la Gene și Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering din WSU. Zhang are, de asemenea, o întâlnire comună la PNNL. „Credem că există o oportunitate de a dezvolta o nouă clasă de catalizatori și de a aborda cu adevărat limitările catalizatorilor biologici și chimici”.

Lignina se găsește în toate plantele vasculare, unde formează pereții celulari și oferă rigiditate plantelor. Lignina menține copacii în picioare, conferă plantelor fermitatea lor și reprezintă aproximativ 20-35% din greutatea lemnului. Deoarece lignina devine galbenă atunci când este expusă la aer, industria produselor din lemn o îndepărtează ca parte a procesului de fabricare a hârtiei fine. Odată îndepărtat, este adesea ars ineficient pentru a produce combustibil și electricitate.

Chimiștii au încercat fără succes de mai bine de un secol să facă produse valoroase din lignină. Acea istorie de frustrare poate fi pe cale să se schimbe.

Unul mai bun decât natura

„Aceasta este prima enzimă mimetică din natură despre care știm că poate digera eficient lignina pentru a produce compuși care pot fi utilizați ca biocombustibili și pentru producția chimică”, a adăugat Chun-Long Chen, autor corespondent, cercetător la Northwestern National Laboratory din Pacific. si afiliat. profesor de inginerie chimică și chimică la[{” attribute=””>University of Washington.

In nature, fungi and bacteria are able to break down lignin with their enzymes, which is how a mushroom-covered log decomposes in the forest. Enzymes offer a much more environmentally benign process than chemical degradation, which requires high heat and consumes more energy than it produces.

Purified Woody Lignin

Woody lignin, seen here in purified form, holds significant promise as a renewable biofuel, if it can be efficiently broken down into useful form. Credit: Photo by Andrea Starr, Pacific Northwest National Laboratory

But, natural enzymes degrade over time, which makes them hard to use in an industrial process. They are expensive, too.

“It’s really hard to produce these enzymes from microorganisms in a meaningful quantity for practical use,” said Zhang. “Then once you isolate them, they’re very fragile and unstable. But these enzymes offer a great opportunity to inspire models that copy their basic design.”

While researchers have been unable to harness natural enzymes to work for them, they have over the decades learned a lot about how they work. A recent review article by Zhang’s research team outlines the challenges and barriers to the application of lignin degrading enzymes. “Understanding these barriers provides new insights toward designing biomimetic enzymes,” Zhang added.

Peptoid scaffold is key

In the current study, the researchers replaced the peptides that surround the active site of natural enzymes with protein-like molecules called peptoids. These peptoids then self-assembled into nanoscale crystalline tubes and sheets. Peptoids were first developed in the 1990s to mimic the function of proteins. They have several unique features, including high stability, that allow scientists to address the deficiencies of the natural enzymes. In this case, they offer a high density of active sites, which is impossible to obtain with a natural enzyme.

“We can precisely organize these active sites and tune their local environments for catalytic activity,” said Chen, “and we have a much higher density of active sites, instead of one active site.”

As expected, these artificial enzymes are also much more stable and robust than the natural versions, so they can work at temperatures up to 60 degrees Celsius (140 degrees Fahrenheit), a temperature that would destroy a natural enzyme.

“This work really opens up new opportunities,” said Chen. “This is a significant step forward in being able to convert lignin into valuable products using an environmentally benign approach.”

If the new bio-mimetic enzyme can be further improved to increase conversion yield, to generate more selective products, it has the potential to scale up to industrial scale. The technology offers new routes to renewable materials for aviation biofuel and biobased materials, among other applications.

Reference: “Highly stable and tunable peptoid/hemin enzymatic mimetics with natural peroxidase-like activities” 31 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30285-9

The research collaboration was facilitated through the WSU-PNNL Bioproducts Institute. Tengyue Jian, Wenchao Yang, Peng Mu, Xin Zhang of PNNL and Yicheng Zhou and Peipei Wang of WSU also contributed to the research.

The work was funded by the state of Washington’s Joint Center for Aerospace Technology and Innovation, a program that supports industry and university research collaborations to develop innovative technologies in the aerospace industry, and by the Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences as part of the Center for the Science of Synthesis Across Scales, an Energy Frontier Research Center located at the University of Washington. Additional support was provided by the National Science Foundation (1454575) and the Department of Agriculture National Institute of Food and Agriculture (2018-67009-27902). Peptoid synthesis capabilities were supported by the Materials Synthesis and Simulation Across Scales Initiative, a Laboratory Directed Research and Development program at PNNL.

Add Comment