Une nouvelle enzyme artificielle a montré qu’elle pouvait détruire la lignine, le polymère résistant qui permet aux plantes ligneuses de conserver leur forme. La lignine recèle également un énorme potentiel en matière d’énergie et de matériaux renouvelables.
Une nouvelle enzyme artificielle décompose la lignine, polymère résistant et ligneux.
La recherche est prometteuse pour le développement d’une nouvelle source d’énergie renouvelable.
Une nouvelle enzyme artificielle a démontré qu’elle pouvait décomposer la lignine, le polymère résistant qui aide les plantes ligneuses à maintenir leur structure. La lignine recèle également un énorme potentiel en matière d’énergie et de matériaux renouvelables.
Rapporté aujourd’hui (31 mai 2022) dans le journal Nature Communicationsune équipe de chercheurs de l’université d’État de Washington et du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du ministère de l’énergie a démontré que leur enzyme artificielle a réussi à digérer la lignine, qui a résisté obstinément aux tentatives précédentes de la transformer en une source d’énergie économiquement utile.
La lignine, qui est la deuxième source de carbone renouvelable la plus abondante sur Terre, est le plus souvent perdue en tant que source de combustible. Lorsque le bois est brûlé pour la cuisson, les sous-produits de la lignine contribuent à donner ce goût fumé aux aliments. Mais la combustion libère tout ce carbone dans l’atmosphère au lieu de le capturer pour d’autres usages.
Les chercheurs Xiao Zhang (à gauche) et Chun-long Chen (à droite) examinent les produits de la digestion de la lignine par leur nouveau catalyseur peptoïde biomimétique. Crédit : Photo d’Andrea Starr, Pacific Northwest National Laboratory
“Notre enzyme biomimétique s’est révélée prometteuse dans la dégradation de la lignine réelle, ce qui est considéré comme une percée “, a déclaré Xiao Zhang, auteur correspondant de l’article et professeur associé à la Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering de WSU. M. Zhang est également nommé conjointement au PNNL. “Nous pensons qu’il existe une opportunité de développer une nouvelle classe de catalyseurs et de s’attaquer réellement aux limites des catalyseurs biologiques et chimiques.”
La lignine est présente dans toutes les plantes vasculaires, où elle forme les parois cellulaires et confère aux plantes leur rigidité. La lignine permet aux arbres de se tenir debout, donne aux légumes leur fermeté et constitue environ 20 à 35 % du poids du bois. Comme la lignine jaunit lorsqu’elle est exposée à l’air, l’industrie des produits du bois l’élimine dans le cadre du processus de fabrication du papier fin. Une fois retirée, elle est souvent brûlée de manière inefficace pour produire du carburant et de l’électricité.
Depuis plus d’un siècle, les chimistes ont essayé sans succès de fabriquer des produits de valeur à partir de la lignine. Ce bilan de frustration pourrait être sur le point de changer.
Un mieux que la nature
” Il s’agit de la première enzyme mimétique de la nature dont nous savons qu’elle peut digérer efficacement la lignine pour produire des composés pouvant être utilisés comme biocarburants et pour la production chimique “, a ajouté Chun-Long Chen, auteur correspondant, chercheur au Pacific Northwest National Laboratory et professeur affilié en génie chimique et en chimie au University of Washington.
In nature, fungi and bacteria are able to break down lignin with their enzymes, which is how a mushroom-covered log decomposes in the forest. Enzymes offer a much more environmentally benign process than chemical degradation, which requires high heat and consumes more energy than it produces.
Woody lignin, seen here in purified form, holds significant promise as a renewable biofuel, if it can be efficiently broken down into useful form. Credit: Photo by Andrea Starr, Pacific Northwest National Laboratory
But, natural enzymes degrade over time, which makes them hard to use in an industrial process. They are expensive, too.
“It’s really hard to produce these enzymes from microorganisms in a meaningful quantity for practical use,” said Zhang. “Then once you isolate them, they’re very fragile and unstable. But these enzymes offer a great opportunity to inspire models that copy their basic design.”
While researchers have been unable to harness natural enzymes to work for them, they have over the decades learned a lot about how they work. A recent review article by Zhang’s research team outlines the challenges and barriers to the application of lignin degrading enzymes. “Understanding these barriers provides new insights toward designing biomimetic enzymes,” Zhang added.
Peptoid scaffold is key
In the current study, the researchers replaced the peptides that surround the active site of natural enzymes with protein-like molecules called peptoids. These peptoids then self-assembled into nanoscale crystalline tubes and sheets. Peptoids were first developed in the 1990s to mimic the function of proteins. They have several unique features, including high stability, that allow scientists to address the deficiencies of the natural enzymes. In this case, they offer a high density of active sites, which is impossible to obtain with a natural enzyme.
“We can precisely organize these active sites and tune their local environments for catalytic activity,” said Chen, “and we have a much higher density of active sites, instead of one active site.”
As expected, these artificial enzymes are also much more stable and robust than the natural versions, so they can work at temperatures up to 60 degrees Celsius (140 degrees Fahrenheit), a temperature that would destroy a natural enzyme.
“This work really opens up new opportunities,” said Chen. “This is a significant step forward in being able to convert lignin into valuable products using an environmentally benign approach.”
If the new bio-mimetic enzyme can be further improved to increase conversion yield, to generate more selective products, it has the potential to scale up to industrial scale. The technology offers new routes to renewable materials for aviation biofuel and biobased materials, among other applications.
Reference: “Highly stable and tunable peptoid/hemin enzymatic mimetics with natural peroxidase-like activities” 31 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30285-9
The research collaboration was facilitated through the WSU-PNNL Bioproducts Institute. Tengyue Jian, Wenchao Yang, Peng Mu, Xin Zhang of PNNL and Yicheng Zhou and Peipei Wang of WSU also contributed to the research.
The work was funded by the state of Washington’s Joint Center for Aerospace Technology and Innovation, a program that supports industry and university research collaborations to develop innovative technologies in the aerospace industry, and by the Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences as part of the Center for the Science of Synthesis Across Scales, an Energy Frontier Research Center located at the University of Washington. Additional support was provided by the National Science Foundation (1454575) and the Department of Agriculture National Institute of Food and Agriculture (2018-67009-27902). Peptoid synthesis capabilities were supported by the Materials Synthesis and Simulation Across Scales Initiative, a Laboratory Directed Research and Development program at PNNL.
