Ett nytt artificiellt enzym har visat att det kan tugga genom lignin, den tuffa polymeren som hjälper vedartade växter att hålla sin form. Lignin lagrar också en enorm potential för förnybar energi och material.

Rapportering i tidskriften Nature Communications , visade ett team av forskare från Washington State University och Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory att deras artificiella enzym lyckades smälta lignin, som envist har motstått tidigare försök att utveckla det till en ekonomiskt användbar energikälla.

Lignin, som är den näst vanligaste förnybara kolkällan på jorden, går till största delen till avfall som bränslekälla. När ved bränns för matlagning hjälper ligninbiprodukter till att ge maten den rökiga smaken. Men förbränning släpper ut allt kol till atmosfären istället för att fånga upp det för andra ändamål.

"Vårt biohärmande enzym visade lovande när det gäller att nedbryta äkta lignin, vilket anses vara ett genombrott", säger Xiao Zhang, en motsvarande författare på tidningen och docent vid WSU:s Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering. Zhang har också ett gemensamt möte på PNNL. "Vi tror att det finns en möjlighet att utveckla en ny klass av katalysatorer och att verkligen ta itu med begränsningarna hos biologiska och kemiska katalysatorer."

Lignin finns i alla kärlväxter, där det bildar cellväggar och ger växter styvhet. Lignin låter träd stå, ger grönsaker sin fasthet och utgör cirka 20-35 % av träets vikt. Eftersom lignin gulnar när det utsätts för luft, tar träproduktindustrin bort det som en del av den fina papperstillverkningsprocessen. När den väl har tagits bort förbränns den ofta ineffektivt för att producera bränsle och elektricitet.

Kemister har försökt och misslyckats i mer än ett sekel för att göra värdefulla produkter av lignin. Den erfarenheten av frustration kan vara på väg att förändras.

En bättre än naturen

"Detta är det första naturmimetiska enzymet som vi vet effektivt kan smälta lignin för att producera föreningar som kan användas som biobränslen och för kemisk produktion," tillade Chun-Long Chen, en motsvarande författare, en forskare från Pacific Northwest National Laboratory och dotterbolag. professor i kemiteknik och kemi vid University of Washington.

I naturen kan svampar och bakterier bryta ner lignin med sina enzymer, vilket är hur en svamptäckt stock bryts ner i skogen. Enzymer erbjuder en mycket mer miljövänlig process än kemisk nedbrytning, som kräver hög värme och förbrukar mer energi än den producerar.

Men naturliga enzymer bryts ned över tiden, vilket gör dem svåra att använda i en industriell process. De är också dyra.

"Det är verkligen svårt att producera dessa enzymer från mikroorganismer i en meningsfull mängd för praktisk användning", säger Zhang. "När du väl isolerar dem är de väldigt ömtåliga och instabila. Men dessa enzymer erbjuder en fantastisk möjlighet att inspirera modeller som kopierar deras grundläggande design."

Även om forskare inte har kunnat utnyttja naturliga enzymer för att fungera för dem, har de under årtionden lärt sig mycket om hur de fungerar. En nyligen publicerad översiktsartikel av Zhangs forskargrupp beskriver utmaningarna och barriärerna mot tillämpningen av ligninnedbrytande enzymer. "Att förstå dessa barriärer ger nya insikter för att designa biomimetiska enzymer," tillade Zhang.

Peptoid ställning är nyckeln

I den aktuella studien ersatte forskarna peptiderna som omger den aktiva platsen för naturliga enzymer med proteinliknande molekyler som kallas peptoider. Dessa peptoider sattes sedan ihop i nanoskala kristallina rör och ark. Peptoider utvecklades först på 1990-talet för att efterlikna proteiners funktion. De har flera unika egenskaper, inklusive hög stabilitet, som gör det möjligt för forskare att ta itu med bristerna hos de naturliga enzymerna. I det här fallet erbjuder de en hög täthet av aktiva platser, vilket är omöjligt att få med ett naturligt enzym.

"Vi kan exakt organisera dessa aktiva platser och ställa in deras lokala miljöer för katalytisk aktivitet," sa Chen, "och vi har en mycket högre täthet av aktiva platser, istället för en aktiv webbplats."

Som förväntat är dessa artificiella enzymer också mycket mer stabila och robusta än de naturliga versionerna, så att de kan arbeta vid temperaturer upp till 60 grader Celsius, en temperatur som skulle förstöra ett naturligt enzym.

"Det här arbetet öppnar verkligen upp för nya möjligheter," sa Chen. "Detta är ett viktigt steg framåt för att kunna omvandla lignin till värdefulla produkter med ett miljövänligt tillvägagångssätt."

Om det nya biomimetiska enzymet kan förbättras ytterligare för att öka omvandlingsutbytet, för att generera mer selektiva produkter, har det potential att skala upp till industriell skala. Tekniken erbjuder nya vägar till förnybara material för bland annat flygbränsle och biobaserade material.

Forskningssamarbetet underlättades genom WSU-PNNL Bioproducts Institute. Tengyue Jian, Wenchao Yang, Peng Mu, Xin Zhang från PNNL och Yicheng Zhou och Peipei Wang från WSU bidrog också till forskningen. + Utforska vidare

Forskare isolerar nya typer av mikroorganismer som klyver eterbindningar i ligninbaserad förening