Ученые создают синтетические катализаторы для расщепления биомассы

Ученые пытаются имитировать свойства природных ферментов.

Ферменты — это природные белки, которые действуют как катализаторы, контролируя химические реакции, поддерживающие биологические процессы и живые существа. Они ускоряют клеточный метаболизм, в том числе расщепление пищи для переваривания. Три фермента: эндоцеллюлаза, экзоцеллюлаза и бета-глюкозидаза могут расщеплять и переваривать растительную клетчатку, целлюлозу.

Черпая вдохновение из биологии, ученые пытаются имитировать свойства природных ферментов. И на данный момент они добились хороших результатов.

Исследовательская группа Янь Чжао разрабатывает наносферы, которые действуют как суперферменты и расщепляют растительные волокна в биомассе, например, в растительных остатках. Новые катализаторы могут превратить биомассу в практический источник сахаров, которые можно будет превращать в топливо и химикаты.

Чжао сказал: «Целлюлоза создана для того, чтобы дерево не исчезало просто так после дождя. Целлюлозу очень трудно расщепить».

Синтетические катализаторы действуют аналогично суперферментам, способным разлагать целлюлозу в более экстремальных условиях и после многократной переработки. Сейчас они находятся на полпути между двумя природными ферментами, которые дороги, не выдерживают высоких температур или неводных растворителей, нестабильны и их трудно переработать обратно в производство.

Чтобы переваривать целлюлозу, компаниям следует использовать натуральные ферменты. Но они дорогие. Они не выдерживают высоких температур и неводных растворителей. И они нестабильны, и их трудно переработать обратно в производство.

В этом новом проекте Сидзя Донг, доцент химии и химической биологии Северо-Восточного университета в Бостоне, будет моделировать активные реакции. Национальный научный фонд выделил Чжао грант в размере 400 000 долларов на исследование катализаторов, имитирующих ферменты.

Чжао сказал: «Моделирование поможет нам лучше понять нашу систему. Это очень сложная система».

Когда цепочки молекул поверхностно-активного вещества подвергаются воздействию воды, гидрофильные, водолюбивые головки молекул образуют внешнюю оболочку. Гидрофобные, не терпящие воду хвосты молекул вращаются внутри этой оболочки, образуя динамические наносферы, известные как мицеллы. Команда использует эти мицеллы.

Исследователи нашли способ, с помощью которого мицеллы собираются вокруг молекул-матриц, напоминающих активные центры. Эти «молекулярно отпечатанные наночастицы» имеют размер в пять миллиардных долей метра после затвердевания под действием ультрафиолетового света и имеют точную форму и размер, имитирующие связывающие и каталитические свойства природных ферментов.

Наночастицы прикрепляются непосредственно к связям, эффективно и избирательно расщепляя целлюлозу. В случае успеха проект предложит синтетические катализаторы расщепления целлюлозы, которые смогут конкурировать по активности с природными целлюлазами, но их значительно легче производить и перерабатывать. Технология соответствует времени, и штат заинтересован в переработке биомассы как потенциальном рынке для биомассы, выращенной на фермерских полях по всему штату.

Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения и Национальным научным фондом (NSF), а также Исследовательским фондом Университета штата Айова.