Des scientifiques construisent des catalyseurs synthétiques pour décomposer la biomasse

Les scientifiques tentent d’imiter les caractéristiques des enzymes naturelles.

Les enzymes sont des protéines naturelles qui fonctionnent comme des catalyseurs, contrôlant les réactions chimiques qui maintiennent les processus biologiques en cours et les êtres vivants en vie. Ils accélèrent le métabolisme cellulaire, notamment la décomposition des aliments pour la digestion. Trois enzymes, l'endocellulase, l'exocellulase et la bêta-glucosidase, peuvent décomposer et digérer les fibres végétales, la cellulose.

S'inspirant de la biologie, les scientifiques tentent d'imiter les caractéristiques des enzymes naturelles. Et jusqu’à présent, ils ont obtenu de bons résultats.

L'équipe de recherche de Yan Zhao développe des nanosphères qui fonctionnent comme des super enzymes pour décomposer les fibres végétales de la biomasse, comme les résidus de récolte. De nouveaux catalyseurs ont le potentiel de faire de la biomasse une source pratique de sucres pouvant être convertis en carburants et en produits chimiques.

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

Les catalyseurs synthétiques fonctionnent de manière similaire aux superenzymes, capables de dégrader la cellulose dans des environnements plus extrêmes et après avoir été recyclées plusieurs fois. Ils se situent désormais à mi-chemin entre deux enzymes naturelles, qui sont coûteuses, ne peuvent pas survivre à des températures élevées ou aux solvants non aqueux, sont instables et sont difficiles à recycler dans la production.

Pour digérer la cellulose, les entreprises devraient se tourner vers les enzymes naturelles. 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.

Dans ce nouveau projet, Sijia Dong, professeur adjoint de chimie et de biologie chimique à la Northeastern University de Boston, simulera les réactions actives. La NSF a accordé à Zhao une subvention de 400 000 $ pour explorer les catalyseurs imitant les enzymes.

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

Lorsque des chaînes de molécules de tensioactif sont exposées à l’eau, les têtes hydrophiles et aimant l’eau des molécules forment une enveloppe extérieure. Les queues hydrophobes et anti-eau des molécules tournent à l’intérieur de cette coque, formant des nanosphères dynamiques appelées micelles. L'équipe utilise ces micelles.

Les chercheurs ont trouvé un moyen pour les micelles de s'assembler autour de molécules modèles ressemblant à un site actif. Ces « nanoparticules à empreinte moléculaire » mesurent cinq milliardièmes de mètre après avoir été solidifiées par la lumière ultraviolette et ont la forme et la taille exactes pour imiter les propriétés de liaison et catalytiques des enzymes naturelles.

Les nanoparticules s'attachent directement aux liaisons, décomposant la cellulose de manière efficace et sélective. En cas de succès, le projet proposera des catalyseurs synthétiques pour la cellulose (dégradation) qui peuvent rivaliser avec les cellulases naturelles en activité mais sont considérablement plus faciles à fabriquer et à recycler. La technologie est adaptée à son époque et l’État s’intéresse à la conversion de la biomasse en tant que marché potentiel pour la biomasse cultivée dans les champs agricoles de tout l’État.

L'étude a été financée par les National Institutes of Health, la National Science Foundation (NSF) et la Iowa State University Research Foundation.