Un nuovo enzima artificiale ha dimostrato che può masticare la lignina, il polimero resistente che aiuta le piante legnose a mantenere la loro forma. Lignin immagazzina anche un enorme potenziale per l'energia rinnovabile e i materiali.

Segnalazione sulla rivista Nature Communications , un team di ricercatori della Washington State University e del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy ha dimostrato che il loro enzima artificiale è riuscito a digerire la lignina, che ha ostinatamente resistito ai precedenti tentativi di trasformarla in una fonte di energia economicamente utile.

La lignina, che è la seconda fonte di carbonio rinnovabile più abbondante sulla Terra, va per lo più sprecata come fonte di carburante. Quando il legno viene bruciato per cucinare, i sottoprodotti della lignina aiutano a conferire quel sapore affumicato agli alimenti. Ma la combustione rilascia tutto quel carbonio nell'atmosfera invece di catturarlo per altri usi.

"Il nostro enzima bioimitante ha mostrato risultati promettenti nel degradare la lignina reale, che è considerata una svolta", ha affermato Xiao Zhang, un corrispondente autore dell'articolo e professore associato presso la Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering della WSU. Zhang ha anche un incarico congiunto al PNNL. "Pensiamo che ci sia un'opportunità per sviluppare una nuova classe di catalizzatori e per affrontare davvero i limiti dei catalizzatori biologici e chimici."

La lignina è presente in tutte le piante vascolari, dove forma le pareti cellulari e fornisce alle piante rigidità. La lignina permette agli alberi di stare in piedi, conferisce alle verdure la loro compattezza e costituisce circa il 20-35% del peso del legno. Poiché la lignina diventa gialla se esposta all'aria, l'industria dei prodotti in legno la rimuove come parte del processo di produzione della carta fine. Una volta rimosso, viene spesso bruciato in modo inefficiente per produrre carburante ed elettricità.

I chimici hanno provato e fallito per più di un secolo per realizzare prodotti preziosi dalla lignina. Quel record di frustrazione potrebbe essere sul punto di cambiare.

Uno migliore della natura

"Questo è il primo enzima mimetico della natura che sappiamo può digerire in modo efficiente la lignina per produrre composti che possono essere utilizzati come biocarburanti e per la produzione chimica", ha aggiunto Chun-Long Chen, autore corrispondente, ricercatore del Pacific Northwest National Laboratory e affiliato professore di ingegneria chimica e chimica all'Università di Washington.

In natura, funghi e batteri sono in grado di scomporre la lignina con i loro enzimi, ed è così che un tronco coperto di funghi si decompone nella foresta. Gli enzimi offrono un processo molto più rispettoso dell'ambiente rispetto alla degradazione chimica, che richiede calore elevato e consuma più energia di quanta ne produce.

Ma gli enzimi naturali si degradano nel tempo, il che li rende difficili da usare in un processo industriale. Sono anche costosi.

"È davvero difficile produrre questi enzimi dai microrganismi in una quantità significativa per un uso pratico", ha detto Zhang. "Poi, una volta isolati, sono molto fragili e instabili. Ma questi enzimi offrono una grande opportunità per ispirare modelli che copiano il loro design di base."

Sebbene i ricercatori non siano stati in grado di sfruttare gli enzimi naturali per lavorare per loro, nel corso dei decenni hanno imparato molto su come funzionano. Un recente articolo di revisione del team di ricerca di Zhang delinea le sfide e gli ostacoli all'applicazione degli enzimi di degradazione della lignina. "La comprensione di queste barriere fornisce nuove informazioni sulla progettazione di enzimi biomimetici", ha aggiunto Zhang.

L'impalcatura peptoidale è fondamentale

Nel presente studio, i ricercatori hanno sostituito i peptidi che circondano il sito attivo degli enzimi naturali con molecole simili a proteine ​​chiamate peptoidi. Questi peptoidi si sono poi autoassemblati in tubi e lastre cristalline su scala nanometrica. I peptoidi sono stati sviluppati per la prima volta negli anni '90 per imitare la funzione delle proteine. Hanno diverse caratteristiche uniche, inclusa l'elevata stabilità, che consentono agli scienziati di affrontare le carenze degli enzimi naturali. In questo caso offrono un'elevata densità di siti attivi, impossibile da ottenere con un enzima naturale.

"Possiamo organizzare con precisione questi siti attivi e ottimizzare i loro ambienti locali per l'attività catalitica", ha affermato Chen, "e abbiamo una densità molto più elevata di siti attivi, invece di un sito attivo".

Come previsto, questi enzimi artificiali sono anche molto più stabili e robusti rispetto alle versioni naturali, quindi possono funzionare a temperature fino a 60 gradi Celsius, una temperatura che distruggerebbe un enzima naturale.

"Questo lavoro apre davvero nuove opportunità", ha affermato Chen. "Si tratta di un significativo passo avanti per poter convertire la lignina in prodotti di valore utilizzando un approccio rispettoso dell'ambiente."

Se il nuovo enzima biomimetico può essere ulteriormente migliorato per aumentare la resa di conversione, per generare prodotti più selettivi, ha il potenziale per una scalabilità su scala industriale. La tecnologia offre nuove rotte verso materiali rinnovabili per biocarburanti aeronautici e materiali a base biologica, tra le altre applicazioni.

La collaborazione nella ricerca è stata facilitata dal WSU-PNNL Bioproducts Institute. Alla ricerca hanno contribuito anche Tengyue Jian, Wenchao Yang, Peng Mu, Xin Zhang del PNNL e Yicheng Zhou e Peipei Wang della WSU. + Esplora ulteriormente

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