Химики из Айовы разрабатывают катализаторы для расщепления целлюлозы

Как-то раз дождливым днем Янь Чжао жестом указал на деревья за окном своего кампуса. Профессор химии Университета штата Айова разрабатывает новые синтетические катализаторы для расщепления целлюлозы — растительных волокон, которые делают эти деревья высокими и сильными.

Целлюлоза рассчитана на длительный срок службы — дерево не исчезает после дождя, — говорит Чжао.

Расщепление целлюлозы представляет собой огромную проблему.

Чжао считает, что у него есть идея и технология, которые позволят решить эту задачу, превратив растительную биомассу в практичный источник сахаров, которые могут быть использованы в различных областях, включая топливо и химикаты.

Учиться у матери-природы

Синтетические катализаторы, которые разрабатывает Чжао и его исследовательская группа, похожи на суперферменты, способные расщеплять целлюлозу, как и их природные аналоги, но в более экстремальных условиях и после многократной переработки.

Мы черпаем вдохновение в биологии, — говорит Чжао.

Мы пытаемся повторить свойства природных ферментов. И пока у нас хорошие результаты.

Ферменты — это природные белки, которые действуют как катализаторы, регулируя химические реакции, обеспечивающие протекание биологических процессов и жизнедеятельность живых существ. Например, ферменты катализируют клеточный метаболизм, в том числе расщепление пищи для ее переваривания.

Три фермента — эндоцеллюлаза, экзоцеллюлаза и бета-глюкозидаза — способны расщеплять и переваривать растительную клетчатку, или целлюлозу.

Казалось бы, природные ферменты должны использоваться в промышленности для переработки целлюлозы. Но они дороги. Они не выдерживают высоких температур и неводных растворителей. К тому же они нестабильны и их трудно перерабатывать.

Исследовательская группа Чжао уже около 10 лет работает над созданием катализаторов на основе наночастиц, способных решить эти проблемы. Эта работа была поддержана грантами Национального института здоровья и Национального научного фонда (NSF). Исследовательский фонд Университета штата Айова добивается патентной защиты технологии и ищет коммерческих партнеров.

Новый трехлетний грант NSF на сумму 700 тыс. долл. (из которых 400 тыс. долл. предназначены для исследований в штате Айова) будет способствовать развитию последних идей Чжао о катализаторах, имитирующих ферменты. Новый проект включает компьютерное моделирование активных участков реакции, выполненное Сиджиа Донгом, доцентом кафедры химии и химической биологии Северо-Восточного университета в Бостоне.

По словам Чжао, моделирование «поможет нам лучше понять нашу систему. Это очень сложная система».

Максимальное использование мицелл

Исследовательская группа Чжао использует преимущества динамических наносфер, называемых мицеллами. Они образуются при контакте цепочек молекул поверхностно-активных веществ (снижающих поверхностное натяжение в жидкостях) с водой, в результате чего гидрофильные, любящие воду головки молекул образуют внешнюю оболочку, а гидрофобные хвосты, ненавидящие воду, вращаются внутри этой оболочки.

Чжао и его группа нашли способ сборки мицелл вокруг молекул-шаблонов, напоминающих активные сайты. После застывания под действием ультрафиолетового света эти «молекулярно запечатленные наночастицы» размером в 5 миллиардных долей метра имеют точную форму и размер, имитирующие связывающие и каталитические свойства природных ферментов. Наночастицы имеют каталитические группы, непосредственно направленные на сахарные связи в полимерах целлюлозы для их эффективного и избирательного расщепления.

В случае успеха исследования будут получены синтетические катализаторы расщепления целлюлозы, способные конкурировать по активности с природными целлюлазами, но гораздо более простые в приготовлении и переработке, — говорится в резюме проекта.

По словам Чжао, который заинтересован в установлении партнерских отношений с компаниями, это может сделать их приемлемым вариантом для промышленности.

Технология, в конце концов, подходит государству и времени.

Переработка биомассы имеет большое значение не только для штата Айова, но и для всего мира, который сейчас заинтересован в углеродно-нейтральной экономике и устойчивом развитии, — отметил в заключение Чжао потенциальный рынок для биомассы, выращиваемой на фермерских полях по всему штату.

21.08.2023