可再生能源新宠儿?华人科学家“变废为宝”,或将解决百年难题

来源:hao123百家号     时间:2022-06-07 11:39:39

一个多世纪以来,科学家们一直在试图将某一物质“变废为宝”。这一物质就是地球上最丰富的有机聚合物之一、含量仅次于纤维素的木质素(Lignin)。但是,他们的努力基本都以失败而告终了。如今,这种令人沮丧的失败感,可能即将会被改变。近日,来自华盛顿州立大学(Washington State University)、西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)的研究团队及其合作者,就合成了一种可以有效分解木质素的人工酶。这一工作是该领域内的一项重大突破,科学家有望开发出一种新型催化剂,真正解决生物和化学催化剂的局限性。相关研究论文以“Highly stable and tunable peptoid/hemin enzymatic mimetics with natural peroxidase-like activities”为题,发表在科学期刊 Nature Communications 上。

(来源:Nature Communications)

研究团队表示,如果这种新型人造酶可以在之后的研究中得到进一步的改进,提高整体转化率,产生更多的选择性产品,就会具备更大规模化生产的潜力。

木质素是什么?

要想了解木质素对我们的生活有什么影响,我们有必要先知道它到底是个什么物质(东西)。

一个很学术的回答,就是下面这张图。

(来源:维基百科)

如果你没看懂,没关系,事实上没多少人能看懂。通俗一点讲,木质素是地球上最丰富的有机聚合物之一,其在植物的生长发育和抗性等方面具有十分重要的生物学功能。在植物细胞壁木质化的过程中,木质素渗入到细胞壁中、填充到细胞壁构架内,可以加大细胞壁的硬度,增强细胞的机械支持力,促进机械组织的形成,有利于巩固和支持植物体及水分疏导等功能。此外,由于木质素是一种交叉链接的酚聚合物,属于芳香族高分子聚合物,其热解产物会赋予烤肉等熏制食品特有的香气和味道。更重要的是,木质素还具备成为巨大可再生能源的潜力。青出于蓝而胜于蓝尽管木质素看起来这么有用处,但在实际生产活动中,却被当作成一种“废品”来处理。比如,在造纸等生产环节中,由于木质素暴露在空气中会变黄,数以千万吨的木质素会被当作“杂质”处理掉,要么被直接排入自然水体中,要么被低效地燃烧来生产燃料和电力,实际上得到有效利用的木质素低于 20%,资源化利用的木质素就更少了,可以说是相当浪费了。但是,作为地球上第二丰富的有机聚合物、自然界中唯一可提供再生性芳香基化合物的非石油类资源,木质素在理论上具备“变废为宝”的潜力。在自然界中,真菌和细菌能够利用它们的酶来分解木质素,进而转化为不同的产品。比如,生长在树木上的白腐菌可以将木质素分解,以供土壤生物再利用。

图|生长在树木上的白腐菌。(来源:PNNL)

而且,天然酶参与的降解过程比化学降解更环保,因为化学降解需要高热量,消耗的能量比产生的还要多。但是,自然界的天然酶会随着时间的推移而降解,因此很难被投入到大规模工业生产中使用,而且价格也十分昂贵。在过去的几十年中,有关天然酶的工作原理,为研究人员设计这一新型人工酶提供了新的见解。在此次研究中,研究团队受天然酶的启发,将天然酶活性位点周围的多肽替换成了一种蛋白质样分子(即类肽)。随后,这些类肽会自动组装成纳米级的晶体管(crystalline tubes)和薄片(sheets)。类肽在 20 世纪 90 年代首次被开发出来,被用来模仿蛋白质的功能,具备高稳定性等特点,帮助科学家解决了天然酶的不足。在这种情况下,它们提供高密度的活性位点,这是天然酶无法获得的。

图|论文通讯作者 Xiao Zhang、Chun-long Chen 正在研究木质素被新型仿生类肽催化剂降解后的产物。(来源:PNNL)

研究人员表示,他们可以通过使用这种人工酶精确地组织这些活性位点,调整它们的局部环境,以促进催化活性。“这样我们就有了更高密度的活性位点,而不是只有一个活性位点。”正如预期的那样,这些人工酶也比天然酶更稳定,可以在高达 60 摄氏度的温度下工作,而这一温度会破坏天然酶的活性。实验证明,这种人造酶可以有效分解木质素,进而产生可用于生物燃料和化学生产的化合物。此外,该技术为航空生物燃料和生物基材料的可再生材料提供了新的途径以及其他应用。当前,研究人员正在寻求加快这种反应,以挖掘这一未充分利用的资源。总的来说,这项工作确实带来了新的机遇,可以利用环保的方法将木质素转化为有价值的产品。参考资料:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30285-9https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cctc.201901480https://www.pnnl.gov/news-media/synthesizing-nanomaterials-natures-blueprintshttps://www.pnnl.gov/news-media/new-artificial-enzyme-breaks-down-tough-woody-ligninhttps://en.wikipedia.org/wiki/Lignin

标签: 变废为宝 可再生能源

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