화학자들은 슈퍼 효소와 같은 바이오매스를 분해하는 합성 촉매를 만듭니다. • 뉴스 서비스 • 아이오와 주립대학교

게시일: 2023년 8월 17일 오후 3:10

Yan Zhao는 업계가 연료 및 화학 물질용 식물 섬유를 분해하는 데 도움이 될 수 있는 합성 촉매를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 더 큰 사진. 크리스토퍼 개논의 사진.

아이오와 주 에임스 – 비 오는 오후, Yan Zhao는 캠퍼스 창문 밖의 나무들을 향해 손짓했습니다.

아이오와 주립 대학의 화학 교수는 나무를 크고 강하게 만드는 식물 섬유인 셀룰로오스를 분해하기 위한 새로운 합성 촉매를 개발하고 있습니다.

“셀룰로오스는 오래 지속되도록 만들어졌습니다. 나무는 비가 내린 후에도 사라지지 않습니다.”라고 Zhao는 말했습니다. "셀룰로오스는 분해하기가 매우 어렵습니다."

Zhao는 자신이 작업을 완료할 수 있는 아이디어와 기술을 가지고 있다고 생각하여 식물 바이오매스를 연료 및 화학 물질을 포함한 다양한 응용 분야로 전환할 수 있는 실용적인 설탕 공급원으로 만듭니다.

Zhao는 “우리는 생물학에서 영감을 얻고 있습니다.”라고 말했습니다. “우리는 천연 효소의 특징을 복제하려고 노력하고 있습니다. 그리고 지금까지 좋은 결과를 얻었습니다.”

효소는 촉매 역할을 하는 천연 단백질로 생물학적 과정과 생명체의 기능을 유지하는 화학 반응을 조절합니다. 예를 들어, 효소는 소화를 위해 음식을 분해하는 등 세포 대사를 촉진합니다.

세 가지 효소(엔도셀룰라제, 엑소셀룰라제, 베타-글루코시다제)는 식물 섬유 또는 셀룰로오스를 분해하고 소화할 수 있습니다.

천연 효소는 산업계에서 셀룰로오스 가공으로 전환하기에 좋은 장소인 것 같습니다. 하지만 비싸요. 고온이나 비수용성 용매에서는 생존할 수 없습니다. 그리고 불안정하고 다시 생산에 재활용하기가 어렵습니다.

Zhao의 연구 그룹은 이러한 문제를 해결할 수 있는 나노입자 촉매를 개발하기 위해 약 10년 동안 노력해 왔습니다. 국립보건원(National Institutes of Health)과 국립과학재단(NSF)의 보조금이 이 연구를 지원해 왔습니다. 아이오와 주립대학교 연구재단은 이 기술의 특허 보호를 추구하고 있으며 상업적 파트너를 찾고 있습니다.

NSF의 새로운 3년 700,000달러 보조금(아이오와 주립 연구에 400,000달러 포함)은 효소 모방 촉매에 대한 Zhao의 최신 아이디어를 발전시킬 것입니다. 새로운 프로젝트에는 보스턴 노스이스턴 대학교의 화학 및 화학 생물학 조교수인 Sijia Dong의 활성 반응 장소에 대한 컴퓨터 시뮬레이션이 포함되어 있습니다.

Zhao는 “시뮬레이션은 우리 시스템을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 이것은 매우 복잡한 시스템이다.”

Zhao의 연구 그룹은 미셀로 알려진 동적 나노구체를 활용하고 있습니다. 계면활성제 분자 사슬(액체의 표면 장력을 감소시키는)이 물에 노출되면 스스로 조립되어 분자의 친수성, 물을 좋아하는 머리 부분이 외부 껍질을 형성하고 물을 싫어하고 소수성인 꼬리가 그 껍질 내부로 회전하게 됩니다. .

Zhao와 그의 연구팀은 미셀이 활성 부위와 유사한 주형 분자 주위에 조립되는 방법을 발견했습니다. 자외선에 의해 굳어진 이 "분자 각인 나노입자"는 크기가 50억분의 1미터이며, 천연 효소의 결합 및 촉매 특성을 모방할 수 있는 정확한 모양과 크기를 갖습니다. 나노입자는 셀룰로오스 폴리머의 당 결합을 직접 가리키는 촉매 그룹을 가지고 있어 이를 효율적이고 선택적으로 분해합니다.

프로젝트 요약에 따르면 "성공한다면 이 연구는 활성 상태에서 천연 셀룰라제와 경쟁할 수 있지만 준비 및 재활용이 훨씬 쉬운 셀룰로오스(분해)용 합성 촉매를 생산할 것입니다."라고 합니다.

기업과의 파트너십 구축에 관심이 있는 Zhao는 이것이 업계에서 실행 가능한 옵션이 될 수 있다고 말했습니다.

결국 기술은 국가와 시대에 맞는다.

Zhao는 "바이오매스 전환은 아이오와 주에만 큰 문제가 아닙니다."라고 Zhao는 말했습니다. 주 전역의 농장에서 재배되는 바이오매스의 잠재적인 시장을 언급하면서 "현재 세계는 탄소 중립 경제와 지속 가능성에 관심이 있습니다." .”