Una novedosa enzima artificial descompone la lignina resistente y leñosa. El estudio es prometedor para el desarrollo de una nueva fuente de energía renovable.
Una novedosa enzima artificial ha demostrado que puede masticar la lignina, el duro polímero que ayuda a las plantas leñosas a mantener su estructura. La lignina también tiene un enorme potencial para las energías renovables así como para la producción de materiales.
Según publica hoy (31 de mayo de 2022) la revista Nature Communications, un equipo de investigadores de la Washington State University y del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Departamento de Energía ha demostrado que su enzima artificial ha conseguido digerir la lignina, que se ha resistido obstinadamente a los intentos anteriores de convertirla en una fuente de energía económicamente útil.
La lignina, que es la segunda fuente de carbono renovable más abundante en la Tierra, se desperdicia en su mayor parte como fuente de combustible. Cuando se quema madera para cocinar, los subproductos de la lignina ayudan a dar ese sabor ahumado a los alimentos. Pero la quema libera todo ese carbono a la atmósfera en lugar de capturarlo para otros usos.
Figura 1. Los investigadores Xiao Zhang (izquierda) y Chun-long Chen (derecha) examinan los productos de la digestión de la lignina mediante su novedoso catalizador peptoide biomimético. Crédito: Foto de Andrea Starr, Pacific Northwest National Laboratory.
“Nuestra enzima biomimética se mostró prometedora en la degradación de la lignina real, lo que se considera un gran avance”, dijo Xiao Zhang, autor del artículo y profesor asociado de la WSU en la Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering. Zhang también tiene un puesto conjunto en el PNNL. “Creemos que existe la oportunidad de desarrollar una nueva clase de catalizadores y de abordar realmente las limitaciones de los catalizadores biológicos y químicos”.
La lignina se encuentra en todas las plantas vasculares, donde forma las paredes celulares y proporciona a las plantas rigidez. La lignina permite que los árboles se mantengan en pie, da firmeza a los vegetales y constituye alrededor del 20-35% del peso de la madera. Dado que la lignina amarillea cuando se expone al aire, la industria de productos de madera la elimina como parte del proceso de fabricación de papel fino. Una vez eliminada, suele quemarse de forma ineficiente para producir combustible y electricidad.
Los Ing. químicos llevan más de un siglo intentando fabricar productos valiosos a partir de la lignina, sin conseguirlo. Ese historial de frustraciones puede estar a punto de cambiar.
Una enzima artificial mejor que la naturaleza
“Se trata de la primera enzima mimética de la naturaleza que sabemos que puede digerir eficazmente la lignina para producir compuestos que pueden utilizarse como biocombustibles y para la producción de productos químicos”, añadió Chun-Long Chen, autor correspondiente, investigador del Pacific Northwest National Laboratory y profesor afiliado de ingeniería química y química de la Universidad de Washington.
En la naturaleza, los hongos y las bacterias son capaces de descomponer la lignina con sus enzimas, que es como se descompone un tronco cubierto de hongos en el bosque. Las enzimas ofrecen un proceso mucho más benigno para el medio ambiente que la degradación química, que requiere mucho calor y consume más energía de la que produce.
Figura 2. La lignina leñosa, que se ve aquí en forma purificada, es muy prometedora como biocombustible renovable, si puede descomponerse eficazmente en una forma útil. Crédito: Foto de Andrea Starr, Pacific Northwest National Laboratory.
Pero las enzimas naturales se degradan con el tiempo, lo que dificulta su uso en un proceso industrial. Además, son caras.
“Es realmente difícil producir estas enzimas a partir de microorganismos en una cantidad significativa para su uso práctico”, dijo Zhang. “Además, una vez aisladas, son muy frágiles e inestables. Pero estas enzimas ofrecen una gran oportunidad para inspirar modelos que copien su diseño básico”.
Aunque los investigadores no han podido aprovechar las enzimas naturales para que trabajen para ellos, a lo largo de las décadas han aprendido mucho sobre su funcionamiento. En un reciente artículo de investigación elaborado por el equipo de Zhang se describen los retos y las barreras para la aplicación de las enzimas que degradan la lignina. “Entender estas barreras proporciona nuevos conocimientos para diseñar enzimas biomiméticas”, añadió Zhang.
El andamiaje peptoide es la clave
En el estudio actual, los investigadores sustituyeron los péptidos que rodean el lugar de actividad de las enzimas naturales por unas moléculas similares a las proteínas llamadas peptoides. Estos peptoides se autoensamblaron en tubos y láminas cristalinas a nanoescala. Los peptoides se desarrollaron por primera vez en la década de 1990 para imitar la función de las proteínas. Tienen varias características únicas, como su gran estabilidad, que permiten a los científicos subsanar las deficiencias de las enzimas naturales. En este caso, ofrecen una alta densidad de sitios activos, imposible de obtener con una enzima natural.
“Podemos organizar con precisión estos sitios activos y ajustar sus entornos locales para la actividad catalítica”, dijo Chen, “y tenemos una densidad mucho mayor de sitios activos, en lugar de un sitio activo”.
Como era de esperar, estas enzimas artificiales son también mucho más estables y robustas que las versiones naturales, por lo que pueden funcionar a temperaturas de hasta 60 grados Celsius (140 grados Fahrenheit), una temperatura que destruiría una enzima natural.
“Este trabajo abre realmente nuevas oportunidades”, dijo Chen. “Se trata de un importante paso adelante para poder convertir la lignina en productos valiosos con un enfoque benigno para el medio ambiente”.
Si la nueva enzima biomimética puede mejorarse aún más para aumentar el rendimiento de la conversión y generar productos más selectivos, tiene el potencial de ampliarse a escala industrial. La tecnología ofrece nuevas vías para obtener materiales renovables para biocombustibles de aviación y materiales de base biológica, entre otras aplicaciones.
Noticia tomada de: SciTechDaily / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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