과학자들은 바이오매스를 분해하기 위해 합성 촉매를 만듭니다.

과학자들은 천연 효소의 특징을 모방하려고 노력하고 있습니다.

효소는 촉매 역할을 하는 자연 발생 단백질로, 생물학적 과정을 계속 실행하고 생명체의 생명을 유지하는 화학 반응을 제어합니다. 그들은 소화를 위해 음식을 분해하는 것을 포함하여 세포 대사를 가속화합니다. 엔도셀룰라제, 엑소셀룰라제 및 베타-글루코시다제의 세 가지 효소는 식물 섬유인 셀룰로스를 분해하고 소화할 수 있습니다.

과학자들은 생물학에서 영감을 얻어 천연 효소의 특징을 모방하려고 노력하고 있습니다. 그리고 지금까지 그들은 좋은 결과를 얻었습니다.

Yan Zhao 연구팀은 작물 잔재물과 같은 바이오매스 내 식물 섬유를 분해하는 슈퍼 효소 역할을 하는 나노구체를 개발하고 있습니다. 새로운 촉매는 바이오매스를 연료와 화학 물질로 전환할 수 있는 실용적인 당 공급원으로 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

Zhao는 “셀룰로오스는 나무가 지속되도록 만들어졌기 때문에 비가 내린 후에도 사라지지 않습니다. 셀룰로오스는 분해하기가 매우 어렵습니다.”

합성 촉매는 슈퍼 효소와 유사하게 기능하며, 더 극한 환경에서 여러 번 재활용된 후 셀룰로오스를 분해할 수 있습니다. 이들은 이제 비용이 많이 들고, 고온이나 비수용성 용매에서 살아남을 수 없고, 불안정하며, 생산으로 다시 재활용하기 어려운 두 천연 효소의 중간에 있습니다.

셀룰로오스를 소화하려면 기업은 천연 효소를 찾아야 합니다. 하지만 비싸요. 고온이나 비수용성 용매에서는 생존할 수 없습니다. 그리고 불안정하고 다시 생산에 재활용하기가 어렵습니다.

이 새로운 프로젝트에서는 보스톤 노스이스턴 대학교의 화학 및 화학 생물학 조교수인 Sijia Dong이 활성 반응을 시뮬레이션할 예정입니다. NSF는 효소 모방 촉매를 연구하기 위해 Zhao에게 400,000달러의 보조금을 지급했습니다.

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

계면활성제 분자 사슬이 물에 노출되면 친수성이며 물을 좋아하는 분자 머리가 외부 껍질을 형성합니다. 소수성이며 물을 싫어하는 분자 꼬리가 껍질 내부로 바뀌어 미셀이라고 알려진 동적 나노구체를 형성합니다. 연구팀은 이 미셀을 활용하고 있습니다.

연구자들은 미셀이 활성 부위와 유사한 주형 분자 주위에 조립되는 방법을 발견했습니다. 이러한 "분자 각인 나노입자"는 자외선에 의해 응고된 후 크기가 10억분의 5미터이며, 천연 효소의 결합 및 촉매 특성을 모방하는 정확한 모양과 크기를 갖습니다.

나노입자는 결합에 직접 부착되어 셀룰로오스를 효율적이고 선택적으로 분해합니다. 성공할 경우, 프로젝트는 활성 상태에서 천연 셀룰라아제와 경쟁할 수 있지만 제조 및 재활용이 훨씬 쉬운 셀룰로오스(분해)용 합성 촉매를 제공하게 됩니다. 이 기술은 시대에 적합하며 주에서는 주 전역의 농장에서 재배되는 바이오매스의 잠재적인 시장인 바이오매스 전환에 관심이 있습니다.

이 연구는 국립보건원(National Institutes of Health), 국립과학재단(NSF), 아이오와 주립대학교 연구재단의 지원을 받았습니다.