Как суперферменты

Автор: Университет штата Айова, 23 августа 2023 г.

В гонке за расщепление целлюлозы синтетические катализаторы сейчас занимают промежуточное положение между двумя природными ферментами. Фото: Иллюстрация Яна Чжао/Университет штата Айова.

В дождливый день Ян Чжао указал на деревья, видимые из окна его кампуса.

Будучи профессором химии в Университете штата Айова, он является пионером в создании новых синтетических катализаторов, расщепляющих целлюлозу — растительные волокна, отвечающие за высоту и прочность деревьев.

«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.

Синтетические катализаторы, которые разрабатывает Чжао и его исследовательская группа, подобны суперферментам, способным расщеплять целлюлозу так же, как и их природные аналоги, но в более экстремальных условиях и после многократной переработки.

«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.

Ян Чжао работает над разработкой синтетических катализаторов, которые могли бы помочь промышленности расщеплять растительные волокна для производства топлива и химикатов. Фото: Кристофер Гэннон/Университет штата Айова.

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.

Zhao’s research group has worked for about 10 years to develop nanoparticle catalysts capable of resolving those issues. Grants from the National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Национальные институты здравоохранения и Национальный научный фонд (NSF) поддержали эту работу. 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. .