Wissenschaftler bauen synthetische Katalysatoren zum Abbau von Biomasse

Wissenschaftler versuchen, die Eigenschaften natürlicher Enzyme nachzuahmen.

Enzyme sind natürlich vorkommende Proteine, die als Katalysatoren fungieren und die chemischen Reaktionen steuern, die biologische Prozesse am Laufen halten und Lebewesen am Leben halten. Sie beschleunigen den Zellstoffwechsel, einschließlich der Aufspaltung der Nahrung für die Verdauung. Drei Enzyme, Endocellulase, Exocellulase und Beta-Glucosidase, können Pflanzenfasern, Cellulose, abbauen und verdauen.

Inspiriert von der Biologie versuchen Wissenschaftler, die Eigenschaften natürlicher Enzyme nachzuahmen. Und bisher haben sie gute Ergebnisse erzielt.

Das Forschungsteam von Yan Zhao entwickelt Nanokügelchen, die als Superenzyme die Pflanzenfasern in Biomasse, beispielsweise Ernterückstände, abbauen. Neue Katalysatoren haben das Potenzial, Biomasse zu einer praktischen Zuckerquelle zu machen, die in Kraftstoffe und Chemikalien umgewandelt werden kann.

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

Die synthetischen Katalysatoren funktionieren ähnlich wie Superenzyme und sind in der Lage, Zellulose in extremeren Umgebungen und nach mehrmaligem Recycling abzubauen. Sie befinden sich nun auf halbem Weg zwischen zwei natürlichen Enzymen, die teuer sind, hohen Temperaturen oder nichtwässrigen Lösungsmitteln nicht standhalten, instabil sind und sich nur schwer wieder in die Produktion zurückführen lassen.

Um Zellulose zu verdauen, sollten Unternehmen auf natürliche Enzyme zurückgreifen. Aber sie sind teuer. Sie können hohen Temperaturen oder nichtwässrigen Lösungsmitteln nicht standhalten. Und sie sind instabil und schwer wieder in die Produktion zurückzuführen.

In diesem neuen Projekt wird Sijia Dong, Assistenzprofessorin für Chemie und chemische Biologie an der Northeastern University in Boston, die aktiven Reaktionen simulieren. Die NSF hat Zhao einen Zuschuss in Höhe von 400.000 US-Dollar für die Erforschung von Enzym-nachahmenden Katalysatoren gewährt.

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

Wenn Ketten von Tensidmolekülen Wasser ausgesetzt werden, bilden die hydrophilen, wasserliebenden Köpfe der Moleküle eine äußere Hülle. Die hydrophoben, wasserabweisenden Schwänze der Moleküle drehen sich innerhalb dieser Hülle und bilden dynamische Nanokügelchen, sogenannte Mizellen. Das Team nutzt diese Mizellen.

Forscher haben einen Weg für Mizellen gefunden, sich um Matrizenmoleküle herum anzuordnen, die einem aktiven Zentrum ähneln. Diese „molekular geprägten Nanopartikel“ sind nach der Verfestigung durch ultraviolettes Licht fünf Milliardstel Meter groß und haben genau die Form und Größe, um die Bindungs- und katalytischen Eigenschaften natürlicher Enzyme nachzuahmen.

Die Nanopartikel heften sich direkt an Bindungen und bauen Zellulose effizient und selektiv ab. Im Erfolgsfall wird das Projekt synthetische Katalysatoren für Cellulose (Abbau) anbieten, die in ihrer Aktivität mit natürlichen Cellulasen konkurrieren können, aber wesentlich einfacher herzustellen und zu recyceln sind. Die Technologie ist zeitgemäß und der Staat ist an der Biomasseumwandlung als potenziellem Markt für Biomasse interessiert, die auf landwirtschaftlichen Feldern im ganzen Staat angebaut wird.

Die Studie wurde von den National Institutes of Health und der National Science Foundation (NSF) sowie der Iowa State University Research Foundation finanziert.