Una nueva enzima artificial ha demostrado que puede masticar la lignina, el polímero resistente que ayuda a las plantas leñosas a mantener su forma. La lignina también almacena un tremendo potencial para energía y materiales renovables.

Reportaje en la revista Nature Communications , un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Washington y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía demostraron que su enzima artificial logró 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, en su mayoría se desperdicia como fuente de combustible. Cuando se quema madera para cocinar, los subproductos de lignina ayudan a impartir ese sabor ahumado a los alimentos. Pero la quema libera todo ese carbono a la atmósfera en lugar de capturarlo para otros usos.

"Nuestra enzima bioimitadora se mostró prometedora en la degradación de la lignina real, lo que se considera un gran avance", dijo Xiao Zhang, autor correspondiente del artículo y profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Química y Bioingeniería Gene y Linda Voiland de WSU. Zhang también tiene un nombramiento conjunto en PNNL. "Creemos que existe la oportunidad de desarrollar una nueva clase de catalizadores y abordar realmente las limitaciones de los catalizadores biológicos y químicos".

La lignina se encuentra en todas las plantas vasculares, donde forma paredes celulares y proporciona rigidez a las plantas. La lignina permite que los árboles se mantengan en pie, les da a los vegetales su firmeza y constituye alrededor del 20-35% del peso de la madera. Debido a que la lignina se vuelve amarilla cuando se expone al aire, la industria de productos de madera la elimina como parte del proceso de fabricación de papel fino. Una vez extraído, a menudo se quema de manera ineficiente para producir combustible y electricidad.

Los químicos han intentado sin éxito durante más de un siglo fabricar productos valiosos a partir de la lignina. Ese historial de frustración puede estar a punto de cambiar.

Uno mejor que la naturaleza

"Esta es la primera enzima mimética de la naturaleza que sabemos que puede digerir la lignina de manera eficiente para producir compuestos que pueden usarse como biocombustibles y para la producción química", agregó Chun-Long Chen, autor correspondiente, investigador del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y afiliado. profesor de ingeniería química y química en la Universidad de Washington.

En la naturaleza, los hongos y las bacterias pueden 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.

Pero las enzimas naturales se degradan con el tiempo, lo que las hace difíciles de usar en un proceso industrial. También son caros.

"Es realmente difícil producir estas enzimas a partir de microorganismos en una cantidad significativa para un uso práctico", dijo Zhang. "Luego, una vez que los aíslas, son muy frágiles e inestables. Pero estas enzimas ofrecen una gran oportunidad para inspirar modelos que copien su diseño básico".

Si bien los investigadores no han podido aprovechar las enzimas naturales para que funcionen para ellos, durante décadas han aprendido mucho sobre cómo funcionan. Un artículo de revisión reciente del equipo de investigación de Zhang describe los desafíos y las barreras para la aplicación de enzimas que degradan la lignina. "Comprender estas barreras proporciona nuevos conocimientos sobre el diseño de enzimas biomiméticas", añadió Zhang.

El andamio peptoide es clave

En el estudio actual, los investigadores reemplazaron los péptidos que rodean el sitio activo de las enzimas naturales con moléculas parecidas a proteínas llamadas peptoides. Estos peptoides luego se autoensamblan 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, incluida una alta estabilidad, que permiten a los científicos abordar 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 solo sitio activo".

Como era de esperar, estas enzimas artificiales también son mucho más estables y robustas que las versiones naturales, por lo que pueden funcionar a temperaturas de hasta 60 grados centígrados, una temperatura que destruiría una enzima natural.

"Este trabajo realmente abre nuevas oportunidades", dijo Chen. "Este es un importante paso adelante para poder convertir la lignina en productos valiosos utilizando un enfoque ambientalmente benigno".

Si la nueva enzima biomimética se puede mejorar aún más para aumentar el rendimiento de conversión, para generar productos más selectivos, tiene potencial para escalar a escala industrial. La tecnología ofrece nuevas rutas hacia materiales renovables para biocombustibles de aviación y materiales de base biológica, entre otras aplicaciones.

La colaboración de investigación fue facilitada a través del Instituto de Bioproductos WSU-PNNL. Tengyue Jian, Wenchao Yang, Peng Mu, Xin Zhang de PNNL y Yicheng Zhou y Peipei Wang de WSU también contribuyeron a la investigación. + Explora más

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