I chimici costruiscono catalizzatori sintetici per scomporre la biomassa come i super enzimi • News Service • Iowa State University

Pubblicato il 17 agosto 2023 15:10

Yan Zhao sta lavorando per sviluppare catalizzatori sintetici che potrebbero aiutare l’industria a scomporre le fibre vegetali per ricavarne carburanti e prodotti chimici. Foto più grande. Foto di Christopher Gannon.

AMES, Iowa – Yan Zhao indicò gli alberi fuori dalla finestra del suo campus in un pomeriggio piovoso.

Il professore di chimica della Iowa State University sta sviluppando nuovi catalizzatori sintetici per abbattere la cellulosa, le fibre vegetali che rendono quegli alberi alti e forti.

"La cellulosa è costruita per durare: un albero non scompare semplicemente dopo la pioggia", ha detto Zhao. “La cellulosa è una sfida enorme da scomporre”.

Zhao pensa di avere un'idea e una tecnologia in grado di portare a termine il lavoro, rendendo la biomassa vegetale una fonte pratica di zuccheri che può essere convertita in molte applicazioni, inclusi combustibili e prodotti chimici.

"Stiamo prendendo ispirazione dalla biologia", ha detto Zhao. “Stiamo cercando di duplicare le caratteristiche degli enzimi naturali. E finora abbiamo buoni risultati”.

Gli enzimi sono proteine ​​naturali che agiscono come catalizzatori, regolando le reazioni chimiche che mantengono attivi i processi biologici e il funzionamento degli esseri viventi. Gli enzimi, ad esempio, catalizzano il metabolismo cellulare, compresa la scomposizione del cibo per la digestione.

Tre enzimi – endocellulasi, esocellulasi e beta-glucosidasi – possono scomporre e digerire la fibra vegetale o cellulosa.

Gli enzimi naturali sembrerebbero essere un buon posto a cui rivolgersi per le industrie per la lavorazione della cellulosa. Ma sono costosi. Non possono sopravvivere alle alte temperature o ai solventi non acquosi. Inoltre sono instabili e difficili da riciclare nella produzione.

Il gruppo di ricerca di Zhao ha lavorato circa 10 anni per sviluppare catalizzatori di nanoparticelle in grado di risolvere questi problemi. Le sovvenzioni del National Institutes of Health e della National Science Foundation (NSF) hanno sostenuto questo lavoro. La Iowa State University Research Foundation sta perseguendo la protezione brevettuale della tecnologia e sta cercando partner commerciali.

Una nuova sovvenzione triennale di 700.000 dollari da parte della NSF (di cui 400.000 dollari per la ricerca statale dell'Iowa) farà avanzare le ultime idee di Zhao sui catalizzatori che imitano gli enzimi. Il nuovo progetto prevede simulazioni al computer dei siti di reazione attivi da parte di Sijia Dong, assistente professore di chimica e biologia chimica presso la Northeastern University di Boston.

Le simulazioni, ha affermato Zhao, “ci aiuteranno a comprendere meglio il nostro sistema. Questo è un sistema molto complesso”.

Il gruppo di ricerca di Zhao sta sfruttando le nanosfere dinamiche conosciute come micelle. Si assemblano quando le catene di molecole di tensioattivo (che riducono la tensione superficiale nei liquidi) vengono esposte all'acqua, facendo sì che le teste idrofile e amanti dell'acqua delle molecole formino un guscio esterno e le code idrofobiche che odiano l'acqua si girino all'interno di quel guscio .

Zhao e il suo gruppo hanno trovato un modo in cui le micelle si assemblano attorno a molecole modello simili al sito attivo. Una volta solidificate dalla luce ultravioletta, queste “nanoparticelle a stampo molecolare” misurano 5 miliardesimi di metro e hanno la forma e le dimensioni esatte per imitare le proprietà leganti e catalitiche degli enzimi naturali. Le nanoparticelle hanno gruppi catalitici puntati direttamente sui legami degli zuccheri nei polimeri di cellulosa per scomporli in modo efficiente e selettivo.

«In caso di successo, la ricerca produrrà catalizzatori sintetici per la cellulosa (decomposizione) che possono competere con le cellulasi naturali nell’attività ma sono molto più facili da preparare e riciclare», si legge in una sintesi del progetto.

Ciò potrebbe renderli un’opzione praticabile per l’industria, ha affermato Zhao, interessato a stabilire partenariati con le aziende.

Dopotutto la tecnologia è adatta allo stato e ai tempi.

“La conversione della biomassa è un grosso problema non solo per lo stato dell’Iowa”, ha detto Zhao, sottolineando un potenziale mercato per la biomassa coltivata nei campi agricoli in tutto lo stato, “ma il mondo in questo momento è interessato a un’economia a zero emissioni di carbonio e alla sostenibilità. .”