Studie ist vielversprechend für die Entwicklung einer neuen erneuerbaren Energiequelle

Ein neues künstliches Enzym hat gezeigt, dass es Lignin durchkauen kann, das zähe Polymer, das Holzpflanzen hilft, ihre Form zu halten. Lignin birgt auch ein enormes Potenzial für erneuerbare Energien und Materialien.

Berichterstattung im Tagebuch Naturkommunikationzeigte ein Team von Forschern der Washington State University und des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums, dass ihr künstliches Enzym Lignin erfolgreich verdauen konnte, 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 größtenteils als Brennstoffquelle verschwendet. Wenn Holz zum Kochen verbrannt wird, tragen Lignin-Nebenprodukte dazu bei, den Speisen diesen rauchigen Geschmack zu verleihen. Aber das Verbrennen setzt all diesen Kohlenstoff in die Atmosphäre frei, anstatt ihn für andere Zwecke einzufangen.

„Unser bionachahmendes Enzym war vielversprechend beim Abbau von echtem Lignin, was als Durchbruch angesehen wird“, sagte Xiao Zhang, ein korrespondierender Autor des Papiers und außerordentlicher Professor an der Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering der WSU. Zhang 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 wirklich anzugehen.“

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

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

Einer besser als die Natur

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

In der Natur können Pilze und Bakterien mit ihren Enzymen Lignin abbauen, so zersetzt sich ein pilzbewachsener Baumstamm im Wald. Enzyme bieten einen viel umweltfreundlicheren Prozess als der chemische Abbau, der viel Hitze erfordert und mehr Energie verbraucht, als er produziert.

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

„Es ist wirklich schwierig, diese Enzyme aus Mikroorganismen in einer sinnvollen Menge für den praktischen Einsatz herzustellen“, sagte Zhang. „Sobald Sie sie isoliert haben, sind sie sehr zerbrechlich und instabil. Aber diese Enzyme bieten eine großartige Gelegenheit, Modelle zu inspirieren, die ihr grundlegendes Design kopieren.“

Während Forscher natürliche Enzyme nicht für sich nutzen konnten, haben sie im Laufe der Jahrzehnte viel darüber gelernt, wie sie funktionieren. Ein kürzlich veröffentlichter Übersichtsartikel des Forschungsteams von Zhang skizziert die Herausforderungen und Hindernisse für die Anwendung von Lignin abbauenden Enzymen. „Das Verständnis dieser Barrieren bietet neue Einblicke in die Entwicklung biomimetischer Enzyme“, fügte Zhang hinzu.

Das Peptoidgerüst 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 Peptoide ordneten sich dann selbst zu nanoskaligen kristallinen Röhrchen und Platten an. Peptoide wurden erstmals in den 1990er Jahren entwickelt, um die Funktion von Proteinen nachzuahmen. Sie haben mehrere einzigartige Eigenschaften, darunter eine hohe Stabilität, die es Wissenschaftlern ermöglichen, die Mängel der natürlichen Enzyme zu beheben. In diesem Fall bieten sie eine hohe Dichte an aktiven Stellen, die mit einem natürlichen Enzym nicht zu erreichen ist.

„Wir können diese aktiven Zentren präzise organisieren und ihre lokale Umgebung auf katalytische Aktivität abstimmen“, sagte Chen, „und wir haben eine viel höhere Dichte an aktiven Zentren anstelle von einem aktiven Zentrum.“

Diese künstlichen Enzyme sind erwartungsgemäß auch viel stabiler und robuster als die natürlichen Versionen, sodass sie bei Temperaturen bis zu 60 Grad Celsius arbeiten können, einer Temperatur, die ein natürliches Enzym zerstören würde.

„Diese Arbeit eröffnet wirklich neue Möglichkeiten“, sagte Chen. „Dies ist ein bedeutender Schritt nach vorne, um Lignin mit einem umweltfreundlichen Ansatz in wertvolle Produkte umwandeln zu können.“

Wenn das neue biomimetische Enzym weiter verbessert werden kann, um die Umwandlungsausbeute zu erhöhen und selektivere Produkte zu erzeugen, hat es Potenzial für eine Aufskalierung in den industriellen Maßstab. Die Technologie bietet unter anderem neue Wege zu erneuerbaren Materialien für Flugkraftstoff und biobasierte Materialien.

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