Gli scienziati costruiscono catalizzatori sintetici per scomporre la biomassa

Gli scienziati stanno cercando di imitare le caratteristiche degli enzimi naturali.

Gli enzimi sono proteine ​​presenti in natura che funzionano come catalizzatori, controllando le reazioni chimiche che mantengono in funzione i processi biologici e mantengono in vita gli esseri viventi. Accelerano 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, la cellulosa.

Prendendo ispirazione dalla biologia, gli scienziati stanno cercando di imitare le caratteristiche degli enzimi naturali. E finora hanno avuto buoni risultati.

Il gruppo di ricerca di Yan Zhao sta sviluppando nanosfere che funzionano come super enzimi per scomporre le fibre vegetali nella biomassa, come i residui delle colture. Nuovi catalizzatori hanno il potenziale per rendere la biomassa una fonte pratica di zuccheri che possono essere convertiti in combustibili e sostanze chimiche.

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

I catalizzatori sintetici funzionano in modo simile ai super enzimi, capaci di degradare la cellulosa negli ambienti più estremi e dopo essere stata riciclata più volte. Ora sono a metà strada tra due enzimi naturali, che sono costosi, non possono sopravvivere alle alte temperature o ai solventi non acquosi, sono instabili e difficili da riciclare nella produzione.

Per digerire la cellulosa, le aziende dovrebbero ricorrere agli enzimi naturali. Ma sono costosi. Non possono sopravvivere alle alte temperature o ai solventi non acquosi. Inoltre sono instabili e difficili da riciclare nella produzione.

In questo nuovo progetto, Sijia Dong, assistente professore di chimica e biologia chimica presso la Northeastern University di Boston, simulerà le reazioni attive. La NSF ha assegnato a Zhao una sovvenzione di 400.000 dollari per esplorare i catalizzatori che imitano gli enzimi.

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

Quando le catene di molecole di tensioattivo sono esposte all'acqua, le teste idrofile e amanti dell'acqua delle molecole formano un guscio esterno. Le code idrofobe e che odiano l'acqua delle molecole girano all'interno di quel guscio, formando nanosfere dinamiche note come micelle. Il team sta utilizzando queste micelle.

I ricercatori hanno trovato un modo in cui le micelle si assemblano attorno a molecole modello simili al sito attivo. Queste “nanoparticelle a impronta molecolare” misurano cinque miliardesimi di metro dopo essere state solidificate dalla luce ultravioletta e hanno la forma e le dimensioni esatte per imitare le proprietà leganti e catalitiche degli enzimi naturali.

Le nanoparticelle si attaccano direttamente ai legami, scomponendo la cellulosa in modo efficiente e selettivo. In caso di successo, il progetto offrirà catalizzatori sintetici per la cellulosa (decomposizione) che possono competere con le cellulasi naturali in attività ma sono notevolmente più facili da produrre e riciclare. La tecnologia è adatta ai tempi e lo Stato è interessato alla conversione della biomassa come potenziale mercato per la biomassa coltivata nei campi agricoli di tutto lo Stato.

Lo studio è stato finanziato dal National Institutes of Health, dalla National Science Foundation (NSF) e dalla Iowa State University Research Foundation.