Wie Superenzyme

Von Iowa State University, 23. August 2023

Im Wettlauf um den Abbau von Zellulose liegen synthetische Katalysatoren mittlerweile auf halbem Weg zwischen zwei natürlichen Enzymen. Bildnachweis: Illustration von Yan Zhao/Iowa State University

An einem nieseligen Nachmittag zeigte Yan Zhao auf die Bäume, die von seinem Campusfenster aus sichtbar waren.

Als Chemieprofessor an der Iowa State University leistet er Pionierarbeit bei der Entwicklung neuartiger synthetischer Katalysatoren, die Zellulose abbauen, die Pflanzenfasern, die für die Höhe und Festigkeit der Bäume verantwortlich sind.

„Zellulose ist auf Langlebigkeit ausgelegt – ein Baum verschwindet nicht einfach nach dem Regen“, sagte Zhao. „Der Abbau von Zellulose ist eine große Herausforderung.“

Zhao glaubt, dass er eine Idee und eine Technologie hat, die diese Aufgabe erfüllen und pflanzliche Biomasse zu einer praktischen Zuckerquelle machen kann, die in viele Anwendungen umgewandelt werden kann, darunter Kraftstoffe und Chemikalien.

Die synthetischen Katalysatoren, die Zhao und seine Forschungsgruppe entwickeln, ähneln Superenzymen, die wie ihre natürlichen Gegenstücke Zellulose abbauen können, jedoch in extremeren Umgebungen und nach mehrmaligem Recycling.

„Wir lassen uns von der Biologie inspirieren“, sagte Zhao. „Wir versuchen, die Eigenschaften natürlicher Enzyme zu duplizieren. Und bisher haben wir gute Ergebnisse erzielt.“

Enzyme sind natürliche Proteine, die als Katalysatoren fungieren und die chemischen Reaktionen regulieren, die biologische Prozesse am Laufen halten und das Funktionieren von Lebewesen gewährleisten. Enzyme katalysieren beispielsweise den Zellstoffwechsel, einschließlich der Aufspaltung von Nahrungsmitteln für die Verdauung.

Drei Enzyme – Endocellulase, Exocellulase und Beta-Glucosidase – können Pflanzenfasern oder Cellulose abbauen und verdauen.

Yan Zhao arbeitet an der Entwicklung synthetischer Katalysatoren, die der Industrie beim Abbau von Pflanzenfasern für Kraftstoffe und Chemikalien helfen könnten. Bildnachweis: Christopher Gannon/Iowa State University

Natürliche Enzyme scheinen für die Industrie ein guter Ansatzpunkt für die Zelluloseverarbeitung zu sein. Aber sie sind teuer. Sie können hohen Temperaturen oder nichtwässrigen Lösungsmitteln nicht standhalten. Und sie sind instabil und schwer wieder in die Produktion zurückzuführen.

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"}]"> National Institutes of Health und die National Science Foundation (NSF) haben diese Arbeit unterstützt. Die Iowa State University Research Foundation strebt einen Patentschutz für die Technologie an und sucht kommerzielle Partner.

Ein neuer, dreijähriger Zuschuss der NSF in Höhe von 700.000 US-Dollar (davon 400.000 US-Dollar für die Forschung des Staates Iowa) wird Zhaos neueste Ideen zu Enzym-nachahmenden Katalysatoren vorantreiben. Das neue Projekt umfasst Computersimulationen der aktiven Reaktionsstellen von Sijia Dong, einer Assistenzprofessorin für Chemie und chemische Biologie an der Northeastern University in Boston.

Die Simulationen, sagte Zhao, „werden uns helfen, unser System besser zu verstehen.“ Das ist ein sehr komplexes System.“

Zhaos Forschungsgruppe nutzt dynamische Nanokügelchen, sogenannte Mizellen. Sie bauen sich zusammen, wenn Ketten von Tensidmolekülen (die die Oberflächenspannung in Flüssigkeiten verringern) Wasser ausgesetzt werden, wodurch die hydrophilen, wasserliebenden Köpfe der Moleküle eine äußere Hülle bilden und die wasserhassenden, hydrophoben Schwänze sich innerhalb dieser Hülle drehen .

Zhao und seine Gruppe haben einen Weg gefunden, wie sich Mizellen um Templatmoleküle anordnen können, die dem aktiven Zentrum ähneln. Nach der Verfestigung durch ultraviolettes Licht sind diese „molekular geprägten Nanopartikel“ 5 Milliardstel Meter groß und haben genau die Form und Größe, um die Bindungs- und katalytischen Eigenschaften natürlicher Enzyme nachzuahmen. Die Nanopartikel verfügen über katalytische Gruppen, die direkt auf Zuckerbindungen in Cellulosepolymeren hinweisen, um diese effizient und selektiv abzubauen.

„Bei Erfolg wird die Forschung synthetische Katalysatoren für den Cellulose(abbau) hervorbringen, die in ihrer Aktivität mit natürlichen Cellulasen konkurrieren können, aber viel einfacher herzustellen und zu recyceln sind“, heißt es in einer Projektzusammenfassung.

Das könnte sie zu einer praktikablen Option für die Industrie machen, sagte Zhao, der daran interessiert ist, Partnerschaften mit Unternehmen aufzubauen.

Schließlich passt die Technik zum Stand und zur Zeit.

„Die Umwandlung von Biomasse ist nicht nur für den Bundesstaat Iowa eine große Sache“, sagte Zhao und verwies auf einen potenziellen Markt für die auf landwirtschaftlichen Feldern im ganzen Bundesstaat angebaute Biomasse, „aber die Welt ist derzeit an einer CO2-neutralen Wirtschaft und Nachhaltigkeit interessiert.“ .“