研究は、新しい再生可能エネルギー源の開発の可能性を示しています

ここで精製された形で見られる木質リグニンは、それが効率的に有用な形に分解されることができれば、再生可能なバイオ燃料として大きな期待を抱いています。 クレジット:Andrea Starr | パシフィックノースウェスト国立研究所

新しい人工酵素は、木本植物がその形を保つのを助ける丈夫なポリマーであるリグニンを噛むことができることを示しました。 リグニンはまた、再生可能エネルギーと材料の途方もない可能性を蓄えています。

ジャーナルでの報告 ネイチャーコミュニケーションズ、ワシントン州立大学とエネルギー省のパシフィックノースウェスト国立研究所の研究者チームは、彼らの人工酵素がリグニンを消化することに成功したことを示しました。リグニンは、経済的に有用なエネルギー源に開発する以前の試みに頑固に抵抗しました。

地球上で2番目に豊富な再生可能炭素源であるリグニンは、主に燃料源として廃棄されます。 木材を調理のために燃やすと、リグニン副産物がその煙のような風味を食品に与えるのに役立ちます。 しかし、燃焼すると、他の用途のために炭素を捕獲するのではなく、すべての炭素が大気に放出されます。

「私たちの生体模倣酵素は、本物のリグニンを分解する可能性を示しました。これは画期的なことと考えられています」と、論文の対応する著者であり、WSUのGeneおよびLinda Voiland School of Chemical EngineeringandBioengineeringの准教授であるXiaoZhangは述べています。 張はまた、PNNLで共同任命を行っています。 「新しいクラスの触媒を開発し、生物学的および化学的触媒の限界に実際に取り組む機会があると私たちは考えています。」

リグニンはすべての維管束植物に含まれており、細胞壁を形成し、植物に剛性を与えます。 リグニンは木を立てることができ、野菜に硬さを与え、木の重量の約20〜35%を占めます。 リグニンは空気に触れると黄色に変わるため、木製品業界は上質な製紙プロセスの一環としてリグニンを取り除きます。 一旦取り除かれると、それはしばしば非効率的に燃やされて燃料と電気を生み出します。

化学者は、リグニンから価値のある製品を作るために1世紀以上にわたって試み、失敗してきました。 その欲求不満の実績はもうすぐ変わるかもしれません。

自然よりも優れている

「これは、リグニンを効率的に消化して、バイオ燃料や化学物質の生産に使用できる化合物を生成できることがわかっている最初の自然模倣酵素です」と、対応する著者であり、パシフィックノースウェスト国立研究所の研究者であり、関連会社であるChun-LongChen氏は付け加えました。ワシントン大学の化学工学および化学の教授。

自然界では、菌類やバクテリアは酵素でリグニンを分解することができます。これは、きのこで覆われた丸太が森で分解する方法です。 酵素は、化学分解よりもはるかに環境に優しいプロセスを提供します。化学分解は、高熱を必要とし、生成するよりも多くのエネルギーを消費します。

しかし、天然酵素は時間の経過とともに分解するため、工業プロセスでの使用が困難になります。 それらも高価です。

「微生物からこれらの酵素を実用化するのに意味のある量で生産することは本当に難しい」と張氏は述べた。 「その後、それらを分離すると、それらは非常に壊れやすく不安定になります。しかし、これらの酵素は、基本的なデザインをコピーするモデルを刺激する絶好の機会を提供します。」

研究者は彼らのために働くために天然酵素を利用することができませんでしたが、彼らは何十年にもわたって彼らがどのように働くかについて多くを学びました。 張の研究チームによる最近の総説は、リグニン分解酵素の適用に向けた課題と障壁を概説しています。 「これらの障壁を理解することは、生体模倣酵素の設計に向けた新しい洞察を提供します」と張は付け加えました。

新しい人工酵素は、丈夫で木質のリグニンを分解します

研究者のXiaoZhang(L)とChun-long Chen(R)は、新しい生体模倣ペプトイド触媒によるリグニン消化の産物を調べています。 クレジット:Andrea Starr | パシフィックノースウェスト国立研究所

ペプトイド足場が鍵

現在の研究では、研究者らは、天然酵素の活性部位を取り巻くペプチドを、ペプトイドと呼ばれるタンパク質のような分子に置き換えました。 次に、これらのペプトイドは自己組織化してナノスケールの結晶性チューブとシートになります。 ペプトイドは、タンパク質の機能を模倣するために1990年代に最初に開発されました。 それらは、科学者が天然酵素の欠陥に対処することを可能にする高い安定性を含むいくつかのユニークな特徴を持っています。 この場合、それらは、天然酵素では得ることが不可能な高密度の活性部位を提供します。

「これらの活性部位を正確に組織化し、触媒活性のためにそれらの局所環境を調整することができます。そして、1つの活性部位ではなく、はるかに高密度の活性部位があります」とChen氏は述べています。

予想通り、これらの人工酵素は天然酵素よりもはるかに安定していて丈夫なので、天然酵素を破壊する温度である摂氏60度までの温度で機能します。

「この仕事は本当に新しい機会を開く」とチェンは言った。 「これは、環境に優しいアプローチを使用してリグニンを価値のある製品に変換できるようにするための重要な前進です。」

新しいバイオミメティック酵素をさらに改善して変換収率を高め、より選択的な生成物を生成できれば、工業規模にスケールアップできる可能性があります。 この技術は、他の用途の中でもとりわけ、航空バイオ燃料およびバイオベース材料用の再生可能材料への新しいルートを提供します。

研究協力は、WSU-PNNLバイオプロダクツインスティテュートを通じて促進されました。 Tengyue Jian、Wenchao Yang、Peng Mu、PNNLのXin Zhang、WSUのYichengZhouとPeipeiWangも研究に貢献しました。


研究者は、リグニンベースの化合物のエーテル結合を切断する新しいタイプの微生物を分離します


詳しくは:
自然なペルオキシダーゼのような活性を持つ非常に安定で調整可能なペプトイド/ヘミン酵素模倣物、 ネイチャーコミュニケーションズ (2022)。 DOI:10.1038 / s41467-022-30285-9

パシフィックノースウェスト国立研究所提供

引用:新しい人工酵素がタフで木質のリグニンを分解する:調査によると、https://phys.org/news/2022-05-artificial-enzyme-から2022年6月1日に取得された新しい再生可能エネルギー源(2022年5月31日)の開発が期待されています。タフ-woody-lignin.html

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