一种新人工酶可分解坚韧的木质素

一种新的人工酶已经证明可以咬断木质素，这种坚韧的聚合物可以帮助木本植物维持其结构。另外，木质素也可以为可再生能源和材料储存巨大的潜力。来自华盛顿州立大学和美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)的一个研究小组证明，他们的人工酶成功地消化了木质素。

据了解，木质素顽固地抵制了以前将其发展为经济上有用的能源的尝试。

木质素是地球上第二丰富的可再生碳源，作为一种燃料来源，它大多被浪费了。当木材被燃烧用于烹饪时，木质素副产品有助于为食物带来烟熏味。但燃烧会将所有这些碳释放到大气中，而不是将其收集起来用于其他用途。

“我们的生物模拟酶在降解真正的木质素方面显示出了希望，这被认为是一个突破，”该论文的通讯作者、WSU的Gene和Linda Voiland化学工程和生物工程学院的副教授Xiao Zhang说道，“我们认为有机会开发一类新的催化剂并真正解决生物和化学催化剂的限制。”

木质素存在于所有维管束植物中，它形成细胞壁并为植物提供刚性。木质素使树木能够站立、使蔬菜具有硬度并占木材重量的约20-35%。由于木质素暴露在空气中会变成黄色，木制品行业将其作为精细造纸过程的一部分加以清除。一旦被清除，它往往会被低效地燃烧以生产燃料和电力。

一个多世纪以来，化学家们一直在尝试用木质素制造有价值的产品，但都以失败告终。这种令人沮丧的记录可能即将改变。

比自然更好

“这是第一种仿自然的酶，我们知道它能有效地消化木质素并产生可用作生物燃料和化学生产的化合物，”通讯作者、西北太平洋国家实验室研究员、华盛顿大学化学工程和化学系副教授Chun-Long Chen说道。

在自然界中，真菌和细菌能用它们的酶分解木质素，这就是森林中覆盖着蘑菇的原木的分解方式。酶提供了一个比化学降解更环保的过程，而化学降解需要高热并消耗的能量比产生的能量多。

但天然酶会随着时间的推移而降解，这使得它们很难在工业过程中使用。另外，它们还非常昂贵。

“真的很难从微生物中生产出有意义的数量的这些酶以供实际使用。然后一旦你分离出它们，它们就会变得非常脆弱和不稳定。但这些酶提供了一个很好的机会以激发出复制其基本设计的模型，”Zhang说道。

虽然研究人员一直无法利用天然酶来为他们工作，但几十年来，他们已经了解了很多关于它们如何工作的知识。Zhang的研究团队最近发表的一篇评论文章概述了应用木质素降解酶的挑战和障碍。他补充道：“了解这些障碍为设计仿生物酶提供了新的见解。”

类肽支架是关键

在目前的研究中，研究人员用称为类肽物的蛋白质类分子取代了围绕天然酶活性部位的肽。然后这些类肽物自我组装成纳米级的结晶管和片。类肽物最早是在20世纪90年代开发的，用于模仿蛋白质的功能。它们有几个独特的特点–包括高稳定性–使科学家能解决天然酶的不足之处。在这种情况下，它们提供了高密度的活性位点，而这在天然酶中是不可能得到的。

Chen说道：“我们可以精确地组织这些活性位点并为催化活动调整它们的局部环境。我们有更高的活性位点密度，而不是一个活性位点。”

如预期的那样，这些人工酶也比天然版本的酶更稳定和强大，因此它们可以在高达60摄氏度的温度下工作，而这个温度会破坏天然酶。

Chen说道：“这项工作真的开辟了新的机会。这是在能用一种环境无害的方法将木质素转化为有价值的产品方面迈出的重要一步。”

如果新的生物模拟酶可以得到进一步的改进以提高转化率进而产生更多的选择性产品，那么它有可能扩大到工业规模。该技术为航空生物燃料和生物基材料的可再生材料都提供了新的途径及其他应用。