Химики создают синтетические катализаторы для расщепления биомассы, подобные суперферментам • Служба новостей • Университет штата Айова

Опубликовано 17 августа 2023 г., 15:10

Ян Чжао работает над разработкой синтетических катализаторов, которые могли бы помочь промышленности расщеплять растительные волокна для производства топлива и химикатов. Фото большего размера. Фото Кристофера Гэннона.

Эймс, Айова – Ян Чжао указал на деревья за окном своего кампуса дождливым днем.

Профессор химии Университета штата Айова разрабатывает новые синтетические катализаторы для расщепления целлюлозы — растительных волокон, которые делают эти деревья высокими и сильными.

«Целлюлоза рассчитана на длительный срок службы – дерево не исчезает просто так после дождя», – сказал Чжао. «Целлюлоза представляет собой огромную проблему для расщепления».

Чжао считает, что у него есть идея и технология, которые помогут выполнить эту работу, превратив растительную биомассу в практический источник сахаров, которые можно использовать во многих сферах, включая топливо и химикаты.

«Мы черпаем вдохновение из биологии», — сказал Чжао. «Мы пытаемся воспроизвести свойства природных ферментов. И на данный момент у нас хорошие результаты».

Ферменты — это природные белки, которые действуют как катализаторы, регулируя химические реакции, поддерживающие биологические процессы и функционирование живых существ. Ферменты, например, катализируют клеточный метаболизм, в том числе расщепляют пищу для переваривания.

Три фермента — эндоцеллюлаза, экзоцеллюлаза и бета-глюкозидаза — могут расщеплять и переваривать растительную клетчатку или целлюлозу.

Природные ферменты, по всей видимости, станут подходящим вариантом для предприятий по переработке целлюлозы. Но они дорогие. Они не выдерживают высоких температур и неводных растворителей. И они нестабильны, и их трудно переработать обратно в производство.

Исследовательская группа Чжао около 10 лет работала над разработкой катализаторов на основе наночастиц, способных решить эти проблемы. Эту работу поддержали гранты Национальных институтов здравоохранения и Национального научного фонда (NSF). Исследовательский фонд Университета штата Айова добивается патентной защиты технологии и ищет коммерческих партнеров.

Новый трехлетний грант в размере 700 000 долларов США от Национального научного фонда (400 000 долларов США на исследования в штате Айова) будет способствовать развитию последних идей Чжао о катализаторах, имитирующих ферменты. Новый проект включает в себя компьютерное моделирование активных реакционных центров Сиджиа Донг, доцента кафедры химии и химической биологии Северо-Восточного университета в Бостоне.

Моделирование, по словам Чжао, «поможет нам лучше понять нашу систему. Это очень сложная система».

Исследовательская группа Чжао использует преимущества динамических наносфер, известных как мицеллы. Они собираются сами, когда цепочки молекул поверхностно-активных веществ (которые уменьшают поверхностное натяжение в жидкостях) подвергаются воздействию воды, в результате чего гидрофильные, любящие воду головки молекул образуют внешнюю оболочку, а ненавистные воду гидрофобные хвосты поворачиваются внутрь этой оболочки. .

Чжао и его группа нашли способ, с помощью которого мицеллы собираются вокруг молекул-шаблонов, напоминающих активные центры. После затвердевания под воздействием ультрафиолетового света эти «молекулярно отпечатанные наночастицы» имеют размер 5 миллиардных долей метра и имеют точную форму и размер, имитирующие связывающие и каталитические свойства природных ферментов. Наночастицы имеют каталитические группы, непосредственно связанные с сахарными связями в полимерах целлюлозы, которые эффективно и избирательно расщепляют их.

«В случае успеха исследование позволит получить синтетические катализаторы расщепления целлюлозы, которые смогут конкурировать с природными целлюлазами по активности, но их гораздо легче приготовить и переработать», — говорится в резюме проекта.

Это может сделать их жизнеспособным вариантом для промышленности, сказал Чжао, который заинтересован в установлении партнерских отношений с компаниями.

В конце концов, технология соответствует государству и времени.

«Переработка биомассы имеет большое значение не только для штата Айова», — сказал Чжао, отметив потенциальный рынок для биомассы, выращенной на фермерских полях по всему штату, — «но мир сейчас заинтересован в углеродно-нейтральной экономике и устойчивом развитии. ».