Como superenzimas

Por Universidad Estatal de Iowa23 de agosto de 2023

En la carrera por descomponer la celulosa, los catalizadores sintéticos se encuentran ahora a medio camino entre dos enzimas naturales. Crédito: Ilustración de Yan Zhao/Universidad Estatal de Iowa

En una tarde lluviosa, Yan Zhao señaló los árboles visibles desde la ventana de su campus.

Como profesor de química en la Universidad Estatal de Iowa, es pionero en la creación de nuevos catalizadores sintéticos que descomponen la celulosa, las fibras vegetales responsables de la altura y la fuerza de los árboles.

"La celulosa está hecha para durar: un árbol no desaparece simplemente después de la lluvia", dijo Zhao. "La celulosa es un gran desafío para descomponer".

Zhao cree que tiene una idea y una tecnología que puede hacer el trabajo, haciendo de la biomasa vegetal una fuente práctica de azúcares que se pueden convertir para muchas aplicaciones, incluidos combustibles y productos químicos.

Los catalizadores sintéticos que Zhao y su grupo de investigación están desarrollando son como súper enzimas, capaces de descomponer la celulosa como sus homólogos naturales, pero en entornos más extremos y después de ser recicladas una y otra vez.

"Nos estamos inspirando en la biología", dijo Zhao. “Estamos intentando duplicar las características de las enzimas naturales. Y hasta ahora, tenemos buenos resultados”.

Las enzimas son proteínas naturales que actúan como catalizadores, regulando las reacciones químicas que mantienen los procesos biológicos y el funcionamiento de los seres vivos. Las enzimas, por ejemplo, catalizan el metabolismo celular, incluida la descomposición de los alimentos para la digestión.

Tres enzimas (endocelulasa, exocelulasa y betaglucosidasa) pueden descomponer y digerir la fibra vegetal o celulosa.

Yan Zhao está trabajando para desarrollar catalizadores sintéticos que podrían ayudar a la industria a descomponer las fibras vegetales para obtener combustibles y productos químicos. Crédito: Christopher Gannon/Universidad Estatal de Iowa

Las enzimas naturales parecen ser un buen lugar para que las industrias recurran al procesamiento de celulosa. Pero son caros. No pueden sobrevivir a altas temperaturas ni a disolventes no acuosos. Además, son inestables y difíciles de reciclar para volver a producirlos.

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"}]"> Los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) han apoyado ese trabajo. La Fundación de Investigación de la Universidad Estatal de Iowa busca la protección de patentes para la tecnología y busca socios comerciales.

Una nueva subvención de tres años de 700.000 dólares de la NSF (con 400.000 dólares para la investigación del estado de Iowa) impulsará las últimas ideas de Zhao sobre catalizadores que imitan enzimas. El nuevo proyecto incluye simulaciones por computadora de los sitios de reacción activa realizadas por Sijia Dong, profesora asistente de química y biología química en la Universidad Northeastern en Boston.

Las simulaciones, dijo Zhao, “nos ayudarán a comprender mejor nuestro sistema. Este es un sistema muy complejo”.

El grupo de investigación de Zhao está aprovechando nanoesferas dinámicas conocidas como micelas. Se ensamblan cuando cadenas de moléculas tensioactivas (que reducen la tensión superficial en los líquidos) se exponen al agua, lo que hace que las cabezas hidrofílicas de las moléculas, amantes del agua, formen una capa exterior y las colas hidrofóbicas que odian el agua se giren dentro de esa capa. .

Zhao y su grupo han encontrado una manera de que las micelas se ensamblen alrededor de moléculas plantilla que se asemejan a sitios activos. Una vez solidificadas por la luz ultravioleta, estas “nanopartículas impresas molecularmente” tienen un tamaño de 5 milmillonésimas de metro y la forma y el tamaño exactos para imitar las propiedades catalíticas y de unión de las enzimas naturales. Las nanopartículas tienen grupos catalíticos que apuntan directamente a los enlaces de azúcar en los polímeros de celulosa para descomponerlos de manera eficiente y selectiva.

“Si tiene éxito, la investigación producirá catalizadores sintéticos para la celulosa (descomposición) que pueden competir con las celulasas naturales en actividad pero que son mucho más fáciles de preparar y reciclar”, según un resumen del proyecto.

Eso podría convertirlos en una opción viable para la industria, dijo Zhao, quien está interesado en establecer asociaciones con empresas.

Al fin y al cabo, la tecnología se adapta al estado y a los tiempos.

"La conversión de biomasa es un gran problema no sólo para el estado de Iowa", dijo Zhao, señalando un mercado potencial para la biomasa cultivada en campos agrícolas en todo el estado, "sino que el mundo en este momento está interesado en una economía y sostenibilidad con neutralidad de carbono". .”