슈퍼효소처럼

아이오와 주립대학교 작성2023년 8월 23일

셀룰로오스를 분해하려는 경쟁에서 합성 촉매는 이제 두 천연 효소의 중간에 있습니다. 출처: Yan Zhao/Iowa State University의 일러스트레이션

부슬부슬 내리는 오후, Yan Zhao는 캠퍼스 창문으로 보이는 나무들을 가리켰습니다.

아이오와 주립대학교의 화학 교수로서 그는 나무의 높이와 강도를 담당하는 식물 섬유인 셀룰로오스를 분해하는 새로운 합성 촉매의 생성을 개척하고 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.

Zhao와 그의 연구 그룹이 개발하고 있는 합성 촉매는 슈퍼 효소와 같아서 천연 촉매처럼 셀룰로오스를 분해할 수 있지만 더 극한 환경에서 계속해서 재활용될 수 있습니다.

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.

Yan Zhao는 업계가 연료 및 화학 물질용 식물 섬유를 분해하는 데 도움이 될 수 있는 합성 촉매를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 출처: Christopher Gannon/아이오와 주립대학교

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

Zhao’s research group has worked for about 10 years to develop nanoparticle catalysts capable of resolving those issues. Grants from the National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 미국국립보건원(National Institutes of Health)과 국립과학재단(NSF)이 이 연구를 지원했습니다. 아이오와 주립대학교 연구재단은 이 기술에 대한 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. .