木质素降解(高效催化木质素分解的仿生酶诞生解决地球可再生资源利用瓶颈)

Posted 2023-05-29

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木质素降解(高效催化木质素分解的仿生酶诞生解决地球可再生资源利用瓶颈)

木质素（lignin）是一类复杂的芳香族高分子聚合物，储存于植物细胞壁。它为植物赋予刚性，不容易腐烂且具疏水性；能引起细胞的木质化形成木质部，木质部因而坚韧无比，能承载整株植物的重量，对于植物组织的抗压和抵抗力至关重要。

木质素存在于所有维管植物中，大约 20% 至 30% 的木本植物的干物质由其组成，是植物界中储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，独特的分子结构使其储存了可再生能源和材料的巨大潜力，全球总产量约为每年 200 亿吨。大部分作为燃料来源被消耗，是一种重要的生物燃料。

然而，高分子量和复杂的大分子结构又使其成为一种具有挑战性的底物，需要通过许多转化方法进行分解。微生物酶降解和木质素的修饰在过去几十年中得到了大量的研究。但是由于若干原因，用于生物质到生物燃料转化的更有效和更具成本效益的酶的开发受到种种限制：首先，人们还不能很好地理解酶如何与生物质底物相互作用；再者，生物质底物具有高度复杂和非均相的物理和化学性质；此外，缺乏足够的生物质模型底物来评估不同酶的功效。

一个多世纪以来，化学家们一直试图用木质素制造有价值的产品，但都失败了。不过这种局面可能即将改变。近日，一种新的用于降解木质素的人工酶被发现。这项成果来自华盛顿州立大学（WSU）以及美国能源部下的太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的一组研究人员，相关文章发表于 Nature Communications，题为 “Highly stable and tunable peptoid/hemin enzymatic mimetics with natural peroxidase-like activities”。

（来源：论文 1）

“我们所发现的生物模拟酶在降解木质素方面表现出潜力，这是一个突破。” 该论文的通讯作者之一，WSU 化学工程与生物工程学院副教授 Xiao Zhang 说，“我们认为有机会开发一类新的催化剂，真正解决生物和化学催化剂的局限性。”

Xiao Zhang 于 2001 年在不列颠哥伦比亚大学获得林业博士学位。在制浆、造纸和森林生物精炼领域拥有超过 15 年的研究经验。最近，他领导 FPInnovations Paprican Division（加拿大私营非营利性研发组织，专注于创建解决方案以加速加拿大森林部门及其附属行业的发展）的一个研究小组，致力于从森林生物质中开发新产品。其长期目标是开发创新方法，将可再生生物质原料转化为增值产品，以提高生物质到先进生物燃料生产的经济性。

在自然界中，真菌和细菌自身具备能够分解木质素的酶。这就是被大量蘑菇覆盖的原木在森林中自然分解的方式。酶提供了比化学降解更环保的过程。化学降解需要高能量，甚至降解过程消耗的能量比作为燃料产生的能量更多。

但是，天然酶难以在工业过程发挥作用。它会随着时间的推移而降解，不稳定且昂贵。但这些酶为设计其模拟物提供了一个很好的模板。

几十年来，研究人员已经学到了很多关于天然酶降解木质素的知识。Xiao Zhang 的研究团队在 2019 年发表的一篇综述文章 “Enzymatic oxidation of lignin: challenges and barriers toward practical applications” 概述了木质素降解酶应用的挑战和障碍。“了解这些障碍为设计仿生酶提供了新的见解。”

图 | 木质素被酶降解示意图（来源：论文 2）

在前期研究的铺垫下，他们以天然酶为模板，设计了能够取代围绕天然酶活性位点的肽，再将这些肽类物质组装成纳米级晶体管和片材。

肽是小分子蛋白片段。肽类药物最初于 20 世纪 90 年代开发，目的是模仿蛋白质活性位点的功能。它们具有若干特征，包括高稳定性，能够解决天然酶不稳定的缺陷。还能提供高密度的活性位点，这是天然酶无法做到的。

“我们可以精确地组织这些高密度的活性位点，并调整其局部环境以调控催化活性，” 另一位通讯作者，PNNL 研究员兼 WSU 副教授 Chun-Long Chen 补充道。

正如预期的那样，这些人造酶也比天然酶更稳定，可以在高达 60 摄氏度的温度下保持活性，而天然酶在此条件下将失活。

“这项工作确实开辟了新的机会，”Chun-Long Chen 说，“这是使用环境良性方法将木质素转化为有价值产品的重要一步。”

如果新的生物模拟酶能在今后研究中得到改进以进一步提高转化率，产生更具选择性的产品，那么它就有可能扩大到工业规模。该技术为用作航空生物燃料、生物基材料等用途的可再生材料的制造提供了新的途径。