可再生能源新寵兒？華人科學(xué)家“變廢為寶”，或?qū)⒔鉀Q百年難題

一個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直在試圖將某一物質(zhì)“變廢為寶”。

這一物質(zhì)就是地球上最豐富的有機(jī)聚合物之一、含量?jī)H次于纖維素的木質(zhì)素（Lignin）。

但是，他們的努力基本都以失敗而告終了。

如今，這種令人沮喪的失敗感，可能即將會(huì)被改變。

近日，來自華盛頓州立大學(xué)（Washington State University）、西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的研究團(tuán)隊(duì)及其合作者，就合成了一種可以有效分解木質(zhì)素的人工酶。

這一工作是該領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重大突破，科學(xué)家有望開發(fā)出一種新型催化劑，真正解決生物和化學(xué)催化劑的局限性。

相關(guān)研究論文以“Highly stable and tunable peptoid/hemin enzymatic mimetics with natural peroxidase-like activities”為題，發(fā)表在科學(xué)期刊 Nature Communications 上。

（來源：Nature Communications）

研究團(tuán)隊(duì)表示，如果這種新型人造酶可以在之后的研究中得到進(jìn)一步的改進(jìn)，提高整體轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)生更多的選擇性產(chǎn)品，就會(huì)具備更大規(guī)?；a(chǎn)的潛力。

木質(zhì)素是什么？

要想了解木質(zhì)素對(duì)我們的生活有什么影響，我們有必要先知道它到底是個(gè)什么物質(zhì)（東西）。

一個(gè)很學(xué)術(shù)的回答，就是下面這張圖。

（來源：維基百科）

如果你沒看懂，沒關(guān)系，事實(shí)上沒多少人能看懂。

通俗一點(diǎn)講，木質(zhì)素是地球上最豐富的有機(jī)聚合物之一，其在植物的生長(zhǎng)發(fā)育和抗性等方面具有十分重要的生物學(xué)功能。

在植物細(xì)胞壁木質(zhì)化的過程中，木質(zhì)素滲入到細(xì)胞壁中、填充到細(xì)胞壁構(gòu)架內(nèi)，可以加大細(xì)胞壁的硬度，增強(qiáng)細(xì)胞的機(jī)械支持力，促進(jìn)機(jī)械組織的形成，有利于鞏固和支持植物體及水分疏導(dǎo)等功能。

此外，由于木質(zhì)素是一種交叉鏈接的酚聚合物，屬于芳香族高分子聚合物，其熱解產(chǎn)物會(huì)賦予烤肉等熏制食品特有的香氣和味道。

更重要的是，木質(zhì)素還具備成為巨大可再生能源的潛力。

青出于藍(lán)而勝于藍(lán)

盡管木質(zhì)素看起來這么有用處，但在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，卻被當(dāng)作成一種“廢品”來處理。

比如，在造紙等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，由于木質(zhì)素暴露在空氣中會(huì)變黃，數(shù)以千萬噸的木質(zhì)素會(huì)被當(dāng)作“雜質(zhì)”處理掉，要么被直接排入自然水體中，要么被低效地燃燒來生產(chǎn)燃料和電力，實(shí)際上得到有效利用的木質(zhì)素低于 20%，資源化利用的木質(zhì)素就更少了，可以說是相當(dāng)浪費(fèi)了。

但是，作為地球上第二豐富的有機(jī)聚合物、自然界中唯一可提供再生性芳香基化合物的非石油類資源，木質(zhì)素在理論上具備“變廢為寶”的潛力。

在自然界中，真菌和細(xì)菌能夠利用它們的酶來分解木質(zhì)素，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為不同的產(chǎn)品。比如，生長(zhǎng)在樹木上的白腐菌可以將木質(zhì)素分解，以供土壤生物再利用。

圖｜生長(zhǎng)在樹木上的白腐菌。（來源：PNNL）

而且，天然酶參與的降解過程比化學(xué)降解更環(huán)保，因?yàn)榛瘜W(xué)降解需要高熱量，消耗的能量比產(chǎn)生的還要多。

但是，自然界的天然酶會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解，因此很難被投入到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中使用，而且價(jià)格也十分昂貴。

在過去的幾十年中，有關(guān)天然酶的工作原理，為研究人員設(shè)計(jì)這一新型人工酶提供了新的見解。

在此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)受天然酶的啟發(fā)，將天然酶活性位點(diǎn)周圍的多肽替換成了一種蛋白質(zhì)樣分子（即類肽）。

隨后，這些類肽會(huì)自動(dòng)組裝成納米級(jí)的晶體管（crystalline tubes）和薄片（sheets）。

類肽在 20 世紀(jì) 90 年代首次被開發(fā)出來，被用來模仿蛋白質(zhì)的功能，具備高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，幫助科學(xué)家解決了天然酶的不足。

在這種情況下，它們提供高密度的活性位點(diǎn)，這是天然酶無法獲得的。

圖｜論文通訊作者 Xiao Zhang、Chun-long Chen 正在研究木質(zhì)素被新型仿生類肽催化劑降解后的產(chǎn)物。（來源：PNNL）

研究人員表示，他們可以通過使用這種人工酶精確地組織這些活性位點(diǎn)，調(diào)整它們的局部環(huán)境，以促進(jìn)催化活性?！斑@樣我們就有了更高密度的活性位點(diǎn)，而不是只有一個(gè)活性位點(diǎn)。”

正如預(yù)期的那樣，這些人工酶也比天然酶更穩(wěn)定，可以在高達(dá) 60 攝氏度的溫度下工作，而這一溫度會(huì)破壞天然酶的活性。

實(shí)驗(yàn)證明，這種人造酶可以有效分解木質(zhì)素，進(jìn)而產(chǎn)生可用于生物燃料和化學(xué)生產(chǎn)的化合物。

此外，該技術(shù)為航空生物燃料和生物基材料的可再生材料提供了新的途徑以及其他應(yīng)用。

當(dāng)前，研究人員正在尋求加快這種反應(yīng)，以挖掘這一未充分利用的資源。

總的來說，這項(xiàng)工作確實(shí)帶來了新的機(jī)遇，可以利用環(huán)保的方法將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30285-9

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cctc.201901480

https://www.pnnl.gov/news-media/synthesizing-nanomaterials-natures-blueprints

https://www.pnnl.gov/news-media/new-artificial-enzyme-breaks-down-tough-woody-lignin

https://en.wikipedia.org/wiki/Lignin