顆粒在線訊：一種新的人工酶已經(jīng)證明可以咬斷木質(zhì)素，這種堅(jiān)韌的聚合物可以幫助木本植物維持其結(jié)構(gòu)。另外，木質(zhì)素也可以為可再生能源和材料儲(chǔ)存巨大的潛力。來自華盛頓州立大學(xué)和美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的一個(gè)研究小組證明，他們的人工酶成功地消化了木質(zhì)素。

據(jù)了解，木質(zhì)素頑固地抵制了以前將其發(fā)展為經(jīng)濟(jì)上有用的能源的嘗試。

木質(zhì)素是地球上第二豐富的可再生碳源，作為一種燃料來源，它大多被浪費(fèi)了。當(dāng)木材被燃燒用于烹飪時(shí)，木質(zhì)素副產(chǎn)品有助于為食物帶來煙熏味。但燃燒會(huì)將所有這些碳釋放到大氣中，而不是將其收集起來用于其他用途。

“我們的生物模擬酶在降解真正的木質(zhì)素方面顯示出了希望，這被認(rèn)為是一個(gè)突破，”該論文的通訊作者、WSU的Gene和Linda Voiland化學(xué)工程和生物工程學(xué)院的副教授Xiao Zhang說道，“我們認(rèn)為有機(jī)會(huì)開發(fā)一類新的催化劑并真正解決生物和化學(xué)催化劑的限制?！?/p>

木質(zhì)素存在于所有維管束植物中，它形成細(xì)胞壁并為植物提供剛性。木質(zhì)素使樹木能夠站立、使蔬菜具有硬度并占木材重量的約20-35%。由于木質(zhì)素暴露在空氣中會(huì)變成黃色，木制品行業(yè)將其作為精細(xì)造紙過程的一部分加以清除。一旦被清除，它往往會(huì)被低效地燃燒以生產(chǎn)燃料和電力。

一個(gè)多世紀(jì)以來，化學(xué)家們一直在嘗試用木質(zhì)素制造有價(jià)值的產(chǎn)品，但都以失敗告終。這種令人沮喪的記錄可能即將改變。

比自然更好

“這是第一種仿自然的酶，我們知道它能有效地消化木質(zhì)素并產(chǎn)生可用作生物燃料和化學(xué)生產(chǎn)的化合物，”通訊作者、西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室研究員、華盛頓大學(xué)化學(xué)工程和化學(xué)系副教授Chun-Long Chen說道。

在自然界中，真菌和細(xì)菌能用它們的酶分解木質(zhì)素，這就是森林中覆蓋著蘑菇的原木的分解方式。酶提供了一個(gè)比化學(xué)降解更環(huán)保的過程，而化學(xué)降解需要高熱并消耗的能量比產(chǎn)生的能量多。

但天然酶會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解，這使得它們很難在工業(yè)過程中使用。另外，它們還非常昂貴。

“真的很難從微生物中生產(chǎn)出有意義的數(shù)量的這些酶以供實(shí)際使用。然后一旦你分離出它們，它們就會(huì)變得非常脆弱和不穩(wěn)定。但這些酶提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)以激發(fā)出復(fù)制其基本設(shè)計(jì)的模型，”Zhang說道。

雖然研究人員一直無法利用天然酶來為他們工作，但幾十年來，他們已經(jīng)了解了很多關(guān)于它們?nèi)绾喂ぷ鞯闹R。Zhang的研究團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表的一篇評論文章概述了應(yīng)用木質(zhì)素降解酶的挑戰(zhàn)和障礙。他補(bǔ)充道：“了解這些障礙為設(shè)計(jì)仿生物酶提供了新的見解。”

類肽支架是關(guān)鍵

在目前的研究中，研究人員用稱為類肽物的蛋白質(zhì)類分子取代了圍繞天然酶活性部位的肽。然后這些類肽物自我組裝成納米級的結(jié)晶管和片。類肽物最早是在20世紀(jì)90年代開發(fā)的，用于模仿蛋白質(zhì)的功能。它們有幾個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)--包括高穩(wěn)定性--使科學(xué)家能解決天然酶的不足之處。在這種情況下，它們提供了高密度的活性位點(diǎn)，而這在天然酶中是不可能得到的。

Chen說道：“我們可以精確地組織這些活性位點(diǎn)并為催化活動(dòng)調(diào)整它們的局部環(huán)境。我們有更高的活性位點(diǎn)密度，而不是一個(gè)活性位點(diǎn)?！?/p>

如預(yù)期的那樣，這些人工酶也比天然版本的酶更穩(wěn)定和強(qiáng)大，因此它們可以在高達(dá)60攝氏度的溫度下工作，而這個(gè)溫度會(huì)破壞天然酶。

Chen說道：“這項(xiàng)工作真的開辟了新的機(jī)會(huì)。這是在能用一種環(huán)境無害的方法將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品方面邁出的重要一步?！?/p>

如果新的生物模擬酶可以得到進(jìn)一步的改進(jìn)以提高轉(zhuǎn)化率進(jìn)而產(chǎn)生更多的選擇性產(chǎn)品，那么它有可能擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模。該技術(shù)為航空生物燃料和生物基材料的可再生材料都提供了新的途徑及其他應(yīng)用。