Een nieuw kunstmatig enzym heeft aangetoond dat het door lignine kan kauwen, het taaie polymeer dat houtachtige planten helpt hun vorm te behouden. Lignine bevat ook een enorm potentieel voor hernieuwbare energie en materialen.

Rapportage in het tijdschrift Nature Communications , toonde een team van onderzoekers van de Washington State University en het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy aan dat hun kunstmatige enzym erin slaagde lignine te verteren, dat hardnekkig weerstand heeft geboden aan eerdere pogingen om het te ontwikkelen tot een economisch bruikbare energiebron.

Lignine, de op één na meest voorkomende hernieuwbare koolstofbron op aarde, gaat meestal verloren als brandstofbron. Wanneer hout wordt verbrand om te koken, helpen lignine-bijproducten om die rokerige smaak aan voedsel te geven. Maar bij verbranding komt al die koolstof vrij in de atmosfeer in plaats van het op te vangen voor ander gebruik.

"Ons bio-nabootsende enzym was veelbelovend in het afbreken van echte lignine, wat als een doorbraak wordt beschouwd", zegt Xiao Zhang, een corresponderende auteur op het papier en universitair hoofddocent aan WSU's Gene en Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering. Zhang heeft ook een gezamenlijke aanstelling bij PNNL. "We denken dat er een kans is om een ​​nieuwe klasse katalysatoren te ontwikkelen en om de beperkingen van biologische en chemische katalysatoren echt aan te pakken."

Lignine zit in alle vaatplanten, waar het celwanden vormt en planten stevigheid geeft. Lignine laat bomen staan, geeft groenten hun stevigheid en maakt ongeveer 20-35% van het gewicht van hout uit. Omdat lignine geel wordt wanneer het wordt blootgesteld aan lucht, verwijdert de houtproductenindustrie het als onderdeel van het proces voor het maken van fijn papier. Eenmaal verwijderd, wordt het vaak inefficiënt verbrand om brandstof en elektriciteit te produceren.

Chemici hebben meer dan een eeuw geprobeerd en faalden om waardevolle producten van lignine te maken. Dat trackrecord van frustratie staat op het punt te veranderen.

Eén beter dan de natuur

"Dit is het eerste natuurmimetische enzym waarvan we weten dat het lignine efficiënt kan verteren om verbindingen te produceren die kunnen worden gebruikt als biobrandstoffen en voor chemische productie", voegde Chun-Long Chen toe, een corresponderende auteur, een Pacific Northwest National Laboratory-onderzoeker, en aangesloten bij professor in chemische technologie en scheikunde aan de Universiteit van Washington.

In de natuur zijn schimmels en bacteriën in staat lignine af te breken met hun enzymen, en zo vergaat een met paddenstoelen bedekte stam in het bos. Enzymen bieden een veel milieuvriendelijker proces dan chemische afbraak, waarvoor veel warmte nodig is en meer energie verbruikt dan het oplevert.

Maar natuurlijke enzymen worden na verloop van tijd afgebroken, waardoor ze moeilijk te gebruiken zijn in een industrieel proces. Ze zijn ook duur.

"Het is echt moeilijk om deze enzymen uit micro-organismen te produceren in een zinvolle hoeveelheid voor praktisch gebruik", zei Zhang. "Als je ze eenmaal isoleert, zijn ze erg kwetsbaar en onstabiel. Maar deze enzymen bieden een geweldige kans om modellen te inspireren die hun basisontwerp kopiëren."

Hoewel onderzoekers er niet in zijn geslaagd natuurlijke enzymen te gebruiken om voor hen te werken, hebben ze de afgelopen decennia veel geleerd over hoe ze werken. Een recent overzichtsartikel van het onderzoeksteam van Zhang schetst de uitdagingen en belemmeringen voor de toepassing van lignine-afbrekende enzymen. "Het begrijpen van deze barrières biedt nieuwe inzichten voor het ontwerpen van biomimetische enzymen," voegde Zhang eraan toe.

Peptoid-steiger is de sleutel

In de huidige studie vervingen de onderzoekers de peptiden die de actieve plaats van natuurlijke enzymen omringen door eiwitachtige moleculen die peptoïden worden genoemd. Deze peptoïden werden vervolgens zelf geassembleerd tot kristallijne buizen en platen op nanoschaal. Peptoïden werden voor het eerst ontwikkeld in de jaren negentig om de functie van eiwitten na te bootsen. Ze hebben verschillende unieke kenmerken, waaronder een hoge stabiliteit, waarmee wetenschappers de tekortkomingen van de natuurlijke enzymen kunnen aanpakken. In dit geval bieden ze een hoge dichtheid aan actieve sites, die onmogelijk te verkrijgen is met een natuurlijk enzym.

"We kunnen deze actieve sites nauwkeurig organiseren en hun lokale omgeving afstemmen op katalytische activiteit," zei Chen, "en we hebben een veel hogere dichtheid van actieve sites, in plaats van één actieve site."

Zoals verwacht zijn deze kunstmatige enzymen ook veel stabieler en robuuster dan de natuurlijke versies, zodat ze kunnen werken bij temperaturen tot 60 graden Celsius, een temperatuur die een natuurlijk enzym zou vernietigen.

"Dit werk biedt echt nieuwe kansen", zegt Chen. "Dit is een belangrijke stap voorwaarts om lignine op een milieuvriendelijke manier om te zetten in waardevolle producten."

Als het nieuwe bio-mimetische enzym verder kan worden verbeterd om de conversieopbrengst te verhogen, om selectievere producten te genereren, heeft het potentieel voor opschaling naar industriële schaal. De technologie biedt nieuwe routes naar hernieuwbare materialen voor onder meer luchtvaartbiobrandstof en biobased materialen.

De onderzoekssamenwerking werd mogelijk gemaakt door het WSU-PNNL Bioproducts Institute. Tengyue Jian, Wenchao Yang, Peng Mu, Xin Zhang van PNNL en Yicheng Zhou en Peipei Wang van WSU droegen ook bij aan het onderzoek. + Verder verkennen

Onderzoekers isoleren nieuwe soorten micro-organismen die etherbindingen splitsen in een verbinding op basis van lignine