Studie ist vielversprechend für die Entwicklung einer neuen Quelle erneuerbarer Energie

Holziges Lignin, hier in reiner Form gezeigt, ist als erneuerbarer Biokraftstoff sehr vielversprechend, wenn es effizient in eine nützliche Form zerlegt werden kann. Bildnachweis: Andrea Starr | Nationales Labor des pazifischen Nordwestens

Es wurde gezeigt, dass ein neues synthetisches Enzym in der Lage ist, Lignin zu kauen, das zähe Polymer, das Holzpflanzen hilft, ihre Form zu erhalten. Lignin birgt auch ein enormes Potenzial für Energie und erneuerbare Materialien.

Berichte für das Magazin schreiben NaturkommunikationEin Team von Forschern der Washington State University und des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums zeigte, dass ihr synthetisches Enzym Lignin erfolgreich verdaut hat, das sich hartnäckig gegen frühere Versuche gewehrt hat, es zu einer wirtschaftlich nützlichen Energiequelle zu entwickeln.

Lignin, die zweithäufigste erneuerbare Kohlenstoffquelle auf der Erde, wird als Brennstoffquelle verschwendet. Wenn Holz zum Kochen verbrannt wird, tragen die Nebenprodukte von Lignin dazu bei, den Speisen diesen rauchigen Geschmack zu verleihen. Aber die Verbrennung setzt all diesen Kohlenstoff in die Atmosphäre frei, anstatt ihn für andere Zwecke einzufangen.

„Unser biomimetisches Enzym war vielversprechend beim Abbau von echtem Lignin, was ein Durchbruch ist“, sagte Xiao Zhang, ein korrespondierender Autor des Papiers und außerordentlicher Professor an der Gene and Linda Voiland School of Chemical and Bioengineering der WSU. Chang hat auch einen gemeinsamen Termin bei PNNL. “Wir glauben, dass es eine Möglichkeit gibt, eine neue Klasse von Katalysatoren zu entwickeln und die Grenzen biologischer und chemischer Katalysatoren zu überwinden.”

Lignin kommt in allen Gefäßpflanzen vor, wo es Zellwände bildet und Pflanzen Festigkeit verleiht. Lignin lässt Bäume stehen, gibt Gemüse seine Festigkeit und macht etwa 20-35 % des Holzgewichts aus. Da Lignin an der Luft gelb wird, wird es in der Holzproduktindustrie im Rahmen des empfindlichen Papierherstellungsprozesses entfernt. Einmal entfernt, wird es oft ineffektiv verbrannt, um Brennstoff und Strom zu erzeugen.

Chemiker versuchen seit mehr als einem Jahrhundert erfolglos, wertvolle Produkte aus Lignin herzustellen. Diese enttäuschende Erfolgsbilanz könnte sich bald ändern.

Einer besser als die Natur

„Dies ist das erste naturähnliche Enzym, von dem wir wissen, dass es in der Lage ist, Lignin effizient zu verdauen, um Verbindungen herzustellen, die als Biokraftstoffe und für die chemische Produktion verwendet werden können“, fügte Chun Long Chen, korrespondierender Autor, Forscher am Pacific Northwest National Laboratory und Mitarbeiter hinzu Partner. Professor für Verfahrenstechnik und Chemie an der University of Washington.

In der Natur können Pilze und Bakterien mit ihren Enzymen Lignin abbauen, so zersetzen sich mit Pilzen bewachsene Baumstämme im Wald. Enzyme bieten einen viel umweltfreundlicheren Prozess als der chemische Abbau, der viel Hitze erfordert und mehr Energie verbraucht als produziert wird.

Aber natürliche Enzyme bauen sich im Laufe der Zeit ab, was ihre Verwendung in einem industriellen Prozess erschwert. Es ist auch teuer.

„Es ist wirklich schwierig, diese Enzyme aus Mikroorganismen in Mengen herzustellen, die für die praktische Anwendung sinnvoll sind“, sagte Zhang. „Sobald sie isoliert sind, werden sie sehr spröde und instabil. Aber diese Enzyme bieten eine großartige Gelegenheit, Modelle zu inspirieren, die ihr grundlegendes Design kopieren.“

Während Forscher natürliche Enzyme nicht nutzen konnten, um mit ihnen zu arbeiten, haben sie im Laufe der Jahrzehnte viel darüber gelernt, wie sie funktionieren. Ein kürzlich erschienener Übersichtsartikel von Zhangs Forschungsteam identifiziert die Herausforderungen und Hindernisse bei der Anwendung von Lignin-abbauenden Enzymen. „Das Verständnis dieser Nachteile bietet neue Einblicke in das Design biomimetischer Enzyme“, fügte Zhang hinzu.

Neues synthetisches Enzym baut zähes holziges Lignin ab

Die Forscher Xiao Zhang (L) und Chun-Long Chen (R) untersuchen die Produkte der Ligninverdauung durch ihren neuen Peptoid-Biostimulator. Bildnachweis: Andrea Starr | Nationales Labor des pazifischen Nordwestens

Peptoid-Gerüst ist der Schlüssel

In der aktuellen Studie ersetzten die Forscher die Peptide, die das aktive Zentrum natürlicher Enzyme umgeben, durch proteinähnliche Moleküle namens Peptoide. Diese Peptide werden dann selbst zu nanokristallinen Röhrchen und Folien zusammengesetzt. Peptoide wurden erstmals in den 1990er Jahren entwickelt, um die Funktion von Proteinen nachzuahmen. Sie haben viele einzigartige Eigenschaften, einschließlich hoher Stabilität, die es Wissenschaftlern ermöglichen, Mängel in natürlichen Enzymen zu beheben. In diesem Fall bieten sie eine hohe Dichte an aktiven Stellen, die mit einem normalen Enzym nicht zu erreichen ist.

„Wir können diese aktiven Zentren präzise regulieren und ihre lokale Umgebung für katalytische Aktivität feinabstimmen, und wir haben eine viel höhere Dichte an aktiven Zentren als ein einzelnes aktives Zentrum“, sagte Chen.

Wie erwartet sind diese synthetischen Enzyme auch stabiler und robuster als die natürlichen Typen, da sie bei Temperaturen von bis zu 60 °C arbeiten können, einer Temperatur, die ein natürliches Enzym zerstören würde.

„Diese Arbeit eröffnet wirklich neue Möglichkeiten“, sagte Chen. “Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Fähigkeit, Lignin mit einem umweltfreundlichen Ansatz in wertvolle Produkte umzuwandeln.”

Wenn das neue biomimetische Enzym verbessert werden kann, um die Umwandlungsausbeute zu erhöhen und selektivere Produkte zu erzeugen, hat es das Potenzial, es in den industriellen Maßstab zu skalieren. Die Technologie bietet unter anderem neue Möglichkeiten für erneuerbare Materialien für Flugkraftstoffe und Biomaterialien.

Die Forschungszusammenarbeit wurde durch das WSU-PNNL Bioproducts Institute erleichtert. Tengyue Jian, Wenchao Yang und Peng Mu und Xin Zhang von PNNL sowie Yicheng Zhou und Peibe Wang von der WSU trugen ebenfalls zur Forschung bei.


Forscher isolieren neue Arten von Mikroorganismen, die Etherbindungen in einer Verbindung auf Ligninbasis spalten


Mehr Informationen:
Äußerst stabile und einstellbare enzymatische Peptoid/Hämin-Mimetika mit natürlichen Peroxidase-ähnlichen Aktivitäten, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038 / s41467-022-30285-9

Eingereicht vom Pacific Northwest National Laboratory

das Zitat: Neues synthetisches Enzym, das zähes holziges Lignin abbaut: Studie zeigt Potenzial für die Entwicklung einer neuen erneuerbaren Energiequelle (2022, 31. Mai) Abgerufen am 1. Juni 2022 von https://phys.org/news/2022-05-artuate-enzyme -zähes-holz-lignin.html

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