Une nouvelle enzyme artificielle a montré qu'elle peut mâcher la lignine, le polymère résistant qui aide les plantes ligneuses à conserver leur forme. La lignine stocke également un énorme potentiel d'énergie et de matériaux renouvelables.

Reportage dans la revue Nature Communications , une équipe de chercheurs de l'Université de l'État de Washington et du Pacific Northwest National Laboratory du Département de l'énergie ont montré que leur enzyme artificielle réussissait à digérer la lignine, qui a obstinément résisté aux tentatives précédentes visant à en faire une source d'énergie économiquement utile.

La lignine, qui est la deuxième source de carbone renouvelable la plus abondante sur Terre, est principalement gaspillée en tant que source de carburant. Lorsque le bois est brûlé pour la cuisson, les sous-produits de la lignine contribuent à donner cette saveur fumée aux aliments. Mais la combustion libère tout ce carbone dans l'atmosphère au lieu de le capturer pour d'autres utilisations.

"Notre enzyme bio-imitatrice s'est révélée prometteuse pour dégrader la vraie lignine, ce qui est considéré comme une percée", a déclaré Xiao Zhang, auteur correspondant de l'article et professeur agrégé à la WSU's Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering. Zhang détient également une nomination conjointe au PNNL. "Nous pensons qu'il existe une opportunité de développer une nouvelle classe de catalyseurs et de vraiment s'attaquer aux limites des catalyseurs biologiques et chimiques."

La lignine est présente dans toutes les plantes vasculaires, où elle forme les parois cellulaires et donne de la rigidité aux plantes. La lignine permet aux arbres de se tenir debout, donne aux légumes leur fermeté et représente environ 20 à 35 % du poids du bois. Parce que 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 retiré, il est souvent brûlé de manière inefficace pour produire du carburant et de l'électricité.

Les chimistes ont essayé et échoué pendant plus d'un siècle pour fabriquer des produits de valeur à partir de la lignine. Ce bilan de frustration est peut-être sur le point de changer.

Un meilleur 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, un auteur correspondant, chercheur au Pacific Northwest National Laboratory et affilié. professeur de génie chimique et de chimie à l'Université de Washington.

Dans la nature, les champignons et les bactéries sont capables de décomposer la lignine avec leurs enzymes, c'est ainsi qu'une bûche couverte de champignons se décompose dans la forêt. Les enzymes offrent un processus beaucoup plus respectueux de l'environnement que la dégradation chimique, qui nécessite une chaleur élevée et consomme plus d'énergie qu'elle n'en produit.

Or, les enzymes naturelles se dégradent avec le temps, ce qui les rend difficilement utilisables dans un procédé industriel. Ils sont chers aussi.

"Il est vraiment difficile de produire ces enzymes à partir de micro-organismes en quantité significative pour une utilisation pratique", a déclaré Zhang. "Ensuite, une fois que vous les avez isolées, elles sont très fragiles et instables. Mais ces enzymes offrent une excellente occasion d'inspirer des modèles qui copient leur conception de base."

Alors que les chercheurs n'ont pas été en mesure d'exploiter les enzymes naturelles pour travailler pour eux, ils ont au fil des décennies beaucoup appris sur leur fonctionnement. Un récent article de synthèse rédigé par l'équipe de recherche de Zhang décrit les défis et les obstacles à l'application d'enzymes dégradant la lignine. "Comprendre ces barrières fournit de nouvelles perspectives pour la conception d'enzymes biomimétiques", a ajouté Zhang.

L'échafaudage peptoïde est essentiel

Dans la présente étude, les chercheurs ont remplacé les peptides qui entourent le site actif des enzymes naturelles par des molécules ressemblant à des protéines appelées peptoïdes. Ces peptoïdes se sont ensuite auto-assemblés en tubes et feuilles cristallins à l'échelle nanométrique. Les peptoïdes ont été développés pour la première fois dans les années 1990 pour imiter la fonction des protéines. Ils présentent plusieurs caractéristiques uniques, notamment une grande stabilité, qui permettent aux scientifiques de remédier aux déficiences des enzymes naturelles. Dans ce cas, ils offrent une forte densité de sites actifs, impossible à obtenir avec une enzyme naturelle.

"Nous pouvons organiser avec précision ces sites actifs et ajuster leurs environnements locaux pour l'activité catalytique", a déclaré Chen, "et nous avons une densité beaucoup plus élevée de sites actifs, au lieu d'un seul site actif."

Comme prévu, ces enzymes artificielles sont également beaucoup plus stables et robustes que les versions naturelles, de sorte qu'elles peuvent fonctionner à des températures allant jusqu'à 60 degrés Celsius, une température qui détruirait une enzyme naturelle.

"Ce travail ouvre vraiment de nouvelles opportunités", a déclaré Chen. "Il s'agit d'un pas en avant significatif dans la capacité de convertir la lignine en produits de valeur en utilisant une approche respectueuse de l'environnement."

Si la nouvelle enzyme bio-mimétique peut être encore améliorée pour augmenter le rendement de conversion, pour générer des produits plus sélectifs, elle a un potentiel de passage à l'échelle industrielle. La technologie offre de nouvelles voies vers des matériaux renouvelables pour les biocarburants d'aviation et les matériaux biosourcés, entre autres applications.

La collaboration de recherche a été facilitée par le WSU-PNNL Bioproducts Institute. Tengyue Jian, Wenchao Yang, Peng Mu, Xin Zhang du PNNL et Yicheng Zhou et Peipei Wang du WSU ont également contribué à la recherche. + Explorer plus loin

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