スーパー酵素のようなもの

アイオワ州立大学2023年8月23日

セルロースの分解競争において、合成触媒は現在 2 つの天然酵素の中間に位置しています。 クレジット: イラスト: Yan Zhao/アイオワ州立大学

小雨の降る午後、ヤン・ザオはキャンパスの窓から見える木々を指さした。

アイオワ州立大学の化学教授である彼は、木の高さと強度に関与する植物繊維であるセルロースを分解する新しい合成触媒の開発に先駆者として取り組んでいます。

「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。

Zhao氏と彼の研究グループが開発している合成触媒はスーパー酵素のようなもので、天然のセルロースと同じようにセルロースを分解できるが、より過酷な環境下で何度もリサイクルされた後でも分解できる。

「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し、消化します。

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。 クレジット: Christopher Gannon/アイオワ州立大学

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’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"}]">国立衛生研究所と国立科学財団 (NSF) 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この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。 。