Американские ученые разработали искусственный фермент, который может расщеплять лигнин – прочный полимер, позволяющий древесным растениям сохранять свою форму. Лигнин также обладает огромным потенциалом для возобновляемых источников энергии и материалов, сообщает Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики США. Подробно разработка описана в журнале Nature Communications.
Лигнин – второй наиболее распространенный возобновляемый источник углерода на Земле. Лигнин есть во всех сосудистых растениях: он образует клеточные стенки и придает растениям жесткость. Лигнин позволяет деревьям стоять, придает овощам твердость и составляет около 20-35% веса древесины. Поскольку лигнин желтеет на воздухе, в деревообрабатывающей промышленности его удаляют в процессе производства тонкой бумаги. После удаления он часто неэффективно сжигается для производства топлива и электроэнергии.
В природе грибы и бактерии способны расщеплять лигнин своими ферментами: так в лесу разлагается заросшее грибами бревно. Разложение с помощью ферментов – гораздо более безвредный для окружающей среды процесс, чем химическое разложение, которое требует высокой температуры и потребляет больше энергии, чем производит. Но природные ферменты со временем разлагаются, что затрудняет их использование в промышленном процессе. Кроме того, производить их из микроорганизмов очень дорого.
Ученые впервые разработали биоимитирующий фермент, способный разлагать настоящий лигнин с образованием соединений, которые можно использовать в качестве биотоплива и для химического производства. Они заменили пептиды, окружающие активный центр природных ферментов, белковоподобными молекулами – пептоидами. Затем эти пептоиды самособирались в наноразмерные кристаллические трубки и листы.
Пептоиды были впервые разработаны в 1990-х годах для имитации функции белков. У них есть несколько уникальных особенностей, в том числе высокая стабильность, которая позволяет ученым устранять недостатки природных ферментов. В этом случае они предлагают высокую плотность активных центров, которую невозможно получить с помощью природного фермента.
Новые искусственные ферменты гораздо стабильнее и надежнее, чем их натуральные версии, поэтому они могут работать при температуре до 60 градусов по Цельсию – температуре, которая разрушила бы природный фермент.
Эта технология создания фермента открывает новые пути к разработке возобновляемых материалов для авиационного биотоплива и материалов на биологической основе.
[Фото: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory]
