Comme des super enzymes

Par Iowa State University23 août 2023

Dans la course à la dégradation de la cellulose, les catalyseurs synthétiques se situent désormais à mi-chemin entre deux enzymes naturelles. Crédit : Illustration de Yan Zhao/Université d’État de l’Iowa

Par un après-midi pluvieux, Yan Zhao a montré les arbres visibles depuis la fenêtre de son campus.

En tant que professeur de chimie à l'Université d'État de l'Iowa, il est pionnier dans la création de nouveaux catalyseurs synthétiques qui décomposent la cellulose, les fibres végétales responsables de la hauteur et de la résistance des arbres.

« 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.

Les catalyseurs synthétiques que Zhao et son groupe de recherche développent sont comme des super enzymes, capables de décomposer la cellulose comme leurs homologues naturels, mais dans des environnements plus extrêmes et après avoir été recyclés à maintes reprises.

"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.

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. Crédit : Christopher Gannon/Université d’État de l’Iowa

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.

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"}]"> Les National Institutes of Health et la National Science Foundation (NSF) ont soutenu ce travail. La Fondation de recherche de l'Université d'État de l'Iowa cherche à obtenir une protection par brevet pour cette technologie 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. .