Les chimistes fabriquent des catalyseurs synthétiques pour décomposer la biomasse, comme des superenzymes. • Service de presse • ​​Iowa State University

Publié le 17 août 2023 à 15h10

Yan Zhao travaille au développement de catalyseurs synthétiques qui pourraient aider l'industrie à décomposer les fibres végétales pour la fabrication de carburants et de produits chimiques. Photo plus grande. Photo de Christopher Gannon.

AMES, Iowa – Yan Zhao a fait un geste vers les arbres devant la fenêtre de son campus par un après-midi pluvieux.

Le professeur de chimie de l'Université d'État de l'Iowa développe de nouveaux catalyseurs synthétiques pour décomposer la cellulose, les fibres végétales qui rendent ces arbres grands et forts.

« La cellulose est construite pour durer – un arbre ne disparaît pas simplement après la pluie », a déclaré Zhao. "La décomposition de la cellulose est un énorme défi."

Zhao pense avoir une idée et une technologie qui peuvent faire le travail, en faisant de la biomasse végétale une source pratique de sucres qui peuvent être convertis à de nombreuses applications, notamment les carburants et les produits chimiques.

"Nous nous inspirons de la biologie", a déclaré Zhao. « Nous essayons de reproduire les caractéristiques des enzymes naturelles. Et jusqu’à présent, nous avons de bons résultats.

Les enzymes sont des protéines naturelles qui agissent comme des catalyseurs, régulant les réactions chimiques qui maintiennent les processus biologiques et le fonctionnement des êtres vivants. Les enzymes, par exemple, catalysent le métabolisme cellulaire, notamment en dégradant les aliments pour la digestion.

Trois enzymes – l'endocellulase, l'exocellulase et la bêta-glucosidase – peuvent décomposer et digérer les fibres végétales, ou cellulose.

Les enzymes naturelles semblent constituer un bon choix pour les industries de transformation de la cellulose. Mais ils sont chers. Ils ne peuvent pas survivre à des températures élevées ou à des solvants non aqueux. Et ils sont instables et difficiles à recycler en production.

Le groupe de recherche de Zhao a travaillé environ 10 ans pour développer des catalyseurs à nanoparticules capables de résoudre ces problèmes. Des subventions des National Institutes of Health et de la National Science Foundation (NSF) ont soutenu ce travail. La Fondation de recherche de l'Université d'État de l'Iowa cherche à protéger la technologie par brevet et recherche des partenaires commerciaux.

Une nouvelle subvention de 700 000 $ sur trois ans de la NSF (dont 400 000 $ pour la recherche dans l'État de l'Iowa) fera progresser les dernières idées de Zhao sur les catalyseurs imitant les enzymes. Le nouveau projet comprend des simulations informatiques des sites de réaction actifs par Sijia Dong, professeur adjoint de chimie et de biologie chimique à la Northeastern University de Boston.

Les simulations, a déclaré Zhao, « nous aideront à mieux comprendre notre système. C’est un système très complexe.

Le groupe de recherche de Zhao tire parti des nanosphères dynamiques appelées micelles. Ils s'assemblent lorsque des chaînes de molécules tensioactives (qui réduisent la tension superficielle dans les liquides) sont exposées à l'eau, ce qui amène les têtes hydrophiles et aimant l'eau des molécules à former une coque extérieure et les queues hydrophobes qui détestent l'eau à se retourner à l'intérieur de cette coque. .

Zhao et son groupe ont trouvé un moyen pour les micelles de s'assembler autour de molécules modèles ressemblant à un site actif. Une fois solidifiées par la lumière ultraviolette, ces « nanoparticules à empreinte moléculaire » mesurent 5 milliardièmes de mètre et ont la forme et la taille exactes pour imiter les propriétés de liaison et catalytiques des enzymes naturelles. Les nanoparticules possèdent des groupes catalytiques directement dirigés vers les liaisons sucre dans les polymères cellulosiques pour les décomposer de manière efficace et sélective.

"En cas de succès, la recherche produira des catalyseurs synthétiques pour la cellulose (dégradation) qui peuvent rivaliser avec les cellulases naturelles en activité mais qui sont beaucoup plus faciles à préparer et à recycler", selon un résumé du projet.

Cela pourrait en faire une option viable pour l'industrie, a déclaré Zhao, qui souhaite établir des partenariats avec des entreprises.

Après tout, la technologie est adaptée à l’État et à l’époque.

« La conversion de la biomasse est un problème majeur non seulement pour l'État de l'Iowa », a déclaré Zhao, soulignant l'existence d'un marché potentiel pour la biomasse cultivée dans les champs agricoles de tout l'État, « mais le monde s'intéresse actuellement à une économie neutre en carbone et à la durabilité. .»