化学者はスーパー酵素のようなバイオマスを分解する合成触媒を構築 • ニュースサービス • アイオワ州立大学

投稿日 2023年8月17日 午後3時10分

Yan Zhao 氏は、産業が植物繊維を燃料や化学薬品として分解するのに役立つ合成触媒の開発に取り組んでいます。 拡大写真。 クリストファー・ガノンによる写真。

アイオワ州エイムズ – 雨の午後、ヤン・ザオはキャンパスの窓の外の木々に向かって身振りで示した。

アイオワ州立大学の化学教授は、木を高く丈夫にする植物繊維であるセルロースを分解するための新しい合成触媒を開発中です。

「セルロースは長持ちするように作られています。木は雨の後だけで消えるわけではありません」と趙氏は言う。 「セルロースを分解するのは大きな課題です。」

ジャオ氏は、植物バイオマスを燃料や化学物質を含む多くの用途に転用できる実用的な糖源にするという仕事を実現できるアイデアと技術を持っていると考えている。

「私たちは生物学からインスピレーションを得ています」と趙氏は語った。 「私たちは天然酵素の特徴を再現しようとしています。 そしてこれまでのところ、良い結果が得られています。」

酵素は、生物学的プロセスを進行させ、生物の機能を維持する化学反応を調節する触媒として機能する天然のタンパク質です。 たとえば、酵素は、消化のために食物を分解するなど、細胞の代謝を触媒します。

エンドセルラーゼ、エキソセルラーゼ、ベータグルコシダーゼの 3 つの酵素は、植物繊維またはセルロースを分解および消化します。

天然酵素は、産業界がセルロース加工に注目するのに適した場所であると思われます。 しかし、それらは高価です。 高温や非水溶媒には耐えられません。 また、それらは不安定で、本番環境にリサイクルするのが困難です。

Zhao氏の研究グループは、これらの問題を解決できるナノ粒子触媒の開発に約10年間取り組んできた。 国立衛生研究所と国立科学財団 (NSF) からの助成金がその研究を支援しています。 アイオワ州立大学研究財団は技術の特許保護を追求しており、商業パートナーを探しています。

NSF からの 3 年間の新たな 70 万ドルの助成金 (アイオワ州の研究に 40 万ドル) は、酵素模倣触媒に関する Zhao の最新のアイデアを前進させることになる。 新しいプロジェクトには、ボストンのノースイースタン大学の化学およびケミカル生物学の助教授であるシジア・ドン氏による活性反応サイトのコンピューターシミュレーションが含まれています。

ザオ氏は、シミュレーションは「システムをより深く理解するのに役立つだろう」と述べた。 これは非常に複雑なシステムです。」

Zhao氏の研究グループは、ミセルとして知られる動的ナノスフィアを利用している。 界面活性剤分子の鎖（液体の表面張力を低下させる）が水にさらされると、それらは自ら集合し、分子の親水性で水を好む頭部が外側の殻を形成し、水を嫌う疎水性の尾部がその殻の内側に向きます。 。

Zhao氏と彼のグループは、活性部位に似た鋳型分子の周囲にミセルが集合する方法を発見した。 紫外線によって固化すると、これらの「分子インプリントされたナノ粒子」のサイズは 10 億分の 1 メートルとなり、天然酵素の結合特性と触媒特性を模倣する正確な形状とサイズになります。 ナノ粒子には、セルロースポリマー内の糖結合を直接指し示す触媒基があり、効率的かつ選択的に糖結合を分解します。

プロジェクトの概要によれば、「研究が成功すれば、活性においては天然セルラーゼと競合することができるが、調製とリサイクルがはるかに容易なセルロース（分解）用の合成触媒が得られるだろう」としている。

そうすれば、それらは産業界にとって実行可能な選択肢になる可能性があると、企業とのパートナーシップを確立することに興味を持っているZhao氏は述べた。

結局のところ、テクノロジーは州と時代に適合しています。

「バイオマス転換はアイオワ州にとってだけではなく、アイオワ州全体の圃場で栽培されるバイオマスの潜在的な市場の可能性を指摘しながら、ジャオ氏は述べた。「しかし現在、世界はカーボンニュートラルな経済と持続可能性に関心を持っている」 」