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


Подписаться в Telegram



Экология

Российские ученые нашли на Эльбрусе цинк и медь
Российские ученые нашли на Эльбрусе цинк и медь

Биологи изучили ледники Эльбруса, и ...

Ноша последствий изменения климата ляжет на хрупкие женские плечи
Ноша последствий изменения климата ляжет на хрупкие женские плечи

Согласно новому исследованию, опубликованному ...

Nature Geoscience: Тысячелетия тому назад Нил был совсем другим
Nature Geoscience: Тысячелетия тому назад Нил был совсем другим

Исследователи изучили, как развивалась ре...

Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода
Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода

Новое исследование, проведенное Университетом ...

NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата

Виноград, выращиваемый для производства в...

Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии

Исследователи из Токийского столичного ун...

Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике
Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике

Арктика, ледяная корона Земли, переживает клим...

EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении
EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении

Изменение климата может представлять большую о...

Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных
Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных

Прибрежные леса в Японии преимущественно ...

PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата
PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата

Центральные особенности эволюции человека могу...

Ртуть в тропиках — скрытая опасность
Ртуть в тропиках — скрытая опасность

Неоново-зеленые капюшоны, бирюзовые брюшки, на...

Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов
Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов

Бразильские исследователи протестировали фоток...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Acta Biomaterialia: Гидрогель поможет понять механизм развития Альцгеймера
Acta Biomaterialia: Гидрогель поможет понять механизм развития Альцгеймера
CSAA: Как восстановить мир в городе после конфликта — проблемы и перспективы
CSAA: Как восстановить мир в городе после конфликта — проблемы и перспективы
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
Новая технология фотоэлектрических модулей оптимизирована для городских условий
Новая технология фотоэлектрических модулей оптимизирована для городских условий
Нанопластики нарушают структуру и функциональность белков в грудном молоке
Нанопластики нарушают структуру и функциональность белков в грудном молоке
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
International Journal of Hydrogen Energy: К 2045 году будем летать на водороде
International Journal of Hydrogen Energy: К 2045 году будем летать на водороде
Вдохновились Дюной: Модификация скафандров позволит перерабатывать мочу в воду
Вдохновились Дюной: Модификация скафандров позволит перерабатывать мочу в воду
Cell: Впервые восстановлена трёхмерная структура хромосом шерстистого мамонта
Cell: Впервые восстановлена трёхмерная структура хромосом шерстистого мамонта
На Дне аграрной науки в Казанском ГАУ представили около 30 новых проектов
На Дне аграрной науки в Казанском ГАУ представили около 30 новых проектов
Инновационная поделка выпускника КНИТУ — плащ-невидимка для экстремальных условий
Инновационная поделка выпускника КНИТУ — плащ-невидимка для экстремальных условий
Лекарство от рака крови может повысить эффективность радиотерапии опухолей мозга
Лекарство от рака крови может повысить эффективность радиотерапии опухолей мозга
Гексагональные перовскиты — новое слово в технологии топливных элементов
Гексагональные перовскиты — новое слово в технологии топливных элементов
npj Precision Oncology: Урон для нервов при лечении рака груди можно предсказать
npj Precision Oncology: Урон для нервов при лечении рака груди можно предсказать
С помощью Уэбба ученые нашли потенциально обитаемый ледяной мир
С помощью Уэбба ученые нашли потенциально обитаемый ледяной мир

Новости компаний, релизы

Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Межсетевой экран защитит компьютерные системы от киберугроз
Университет МИСИС будет готовить специалистов в сфере квантовых технологий
Ученые ТПУ нашли эффективный способ создания вязких композиционных материалов для авиационной промышленности и машиностроени
Химики СПбГУ: схожие органические катализаторы ускоряют реакции противоположно друг другу