一個多世紀以來，科學家們一直在試圖將某一物質「變廢為寶」。這一物質就是地球上最豐富的有機聚合物之一、含量僅次於纖維素的木質素（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，可能即將會被改變。近日，來自華盛頓州立大學（Washington State University）、西北太平洋國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的研究團隊及其合作者，就合成了一種可以有效分解木質素的人工酶。這一工作是該領域內的一項重大突破，科學家有望開發出一種新型催化劑，真正解決生物和化學催化劑的局限性。相關研究論文以「Highly stable and tunable peptoid/hemin enzymatic mimetics with natural peroxidase-like activities」為題，發表在科學期刊 Nature Communications 上。
（來源：Nature Communications）
研究團隊表示，如果這種新型人造酶可以在之後的研究中得到進一步的改進，提高整體轉化率，產生更多的選擇性產品，就會具備更大規模化生產的潛力。
要想了解木質素對我們的生活有什麼影響，我們有必要先知道它到底是個什麼物質（東西）。一個很學術的回答，就是下面這張圖。
（來源：維基百科）
如果你沒看懂，沒關係，事實上沒多少人能看懂
。通俗一點講，木質素是地球上最豐富的有機聚合物之一，其在植物的生長發育和抗性等方面具有十分重要的生物學功能。在植物細胞壁木質化的過程中，木質素滲入到細胞壁中、填充到細胞壁構架內，可以加大細胞壁的硬度，增強細胞的機械支持力，促進機械組織的形成，有利於鞏固和支持植物體及水分疏導等功能。此外，由於木質素是一種交叉鏈接的酚聚合物，屬於芳香族高分子聚合物，其熱解產物會賦予烤肉等熏制食品特有的香氣和味道。更重要的是，木質素還具備成為巨大可再生能源的潛力。
儘管木質素看起來這麼有用處，但在實際生產活動中，卻被當作成一種「廢品」來處理。比如，在造紙等生產環節中，由於木質素暴露在空氣中會變黃，數以千萬噸的木質素會被當作「雜質」處理掉，要麼被直接排入自然水體中，要麼被低效地燃燒來生產燃料和電力，實際上得到有效利用的木質素低於 20%，資源化利用的木質素就更少了，可以說是相當浪費了。但是，作為地球上第二豐富的有機聚合物、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，木質素在理論上具備「變廢為寶」的潛力。在自然界中，真菌和細菌能夠利用它們的酶來分解木質素，進而轉化為不同的產品。比如，生長在樹木上的白腐菌可以將木質素分解，以供土壤生物再利用。
圖｜生長在樹木上的白腐菌。（來源：PNNL）
而且，天然酶參與的降解過程比化學降解更環保，因為化學降解需要高熱量，消耗的能量比產生的還要多。但是，自然界的天然酶會隨着時間的推移而降解，因此很難被投入到大規模工業生產中使用，而且價格也十分昂貴。在過去的幾十年中，有關天然酶的工作原理，為研究人員設計這一新型人工酶提供了新的見解。在此次研究中，研究團隊受天然酶的啟發，將天然酶活性位點周圍的多肽替換成了一種蛋白質樣分子（即類肽）。隨後，這些類肽會自動組裝成納米級的晶體管（crystalline tubes）和薄片（sheets）。類肽在 20 世紀 90 年代首次被開發出來，被用來模仿蛋白質的功能，具備高穩定性等特點，幫助科學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，這是天然酶無法獲得的。
圖｜論文通訊作者 Xiao Zhang、Chun-long Chen 正在研究木質素被新型仿生類肽催化劑降解後的產物。（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，調整它們的局部環境，以促進催化活性。「這樣我們就有了更高密度的活性位點，而不是只有一個活性位點。」正如預期的那樣，這些人工酶也比天然酶更穩定，可以在高達 60 攝氏度的溫度下工作，而這一溫度會破壞天然酶的活性。實驗證明，這種人造酶可以有效分解木質素，進而產生可用於生物燃料和化學生產的化合物。此外，該技術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用。當前，研究人員正在尋求加快這種反應，以挖掘這一未充分利用的資源。總的來說，這項工作確實帶來了新的機遇，可以利用環保的方法將木質素轉化為有價值的產品。參考資料：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30285-9https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cctc.201901480https://www.pnnl.gov/news-media/synthesizing-nanomaterials-natures-blueprintshttps://www.pnnl.gov/news-media/new-artificial-enzyme-breaks-down-tough-woody-ligninhttps://en.wikipedia.org/wiki/Lignin
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2022-05-06
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