一種新的人工酶已經證明可以咬斷木質素，這種堅韌的聚合物可以幫助木本植物維持其結構。另外，木質素也可以為可再生能源和材料儲存巨大的潛力。來自華盛頓州立大學和美國能源部西北太平洋國家實驗室(PNNL)的一個研究小組證明，他們的人工酶成功地消化了木質素。

據了解，木質素頑固地抵制了以前將其發展為經濟上有用的能源的嘗試。

木質素是地球上第二豐富的可再生碳源，作為一種燃料來源，它大多被浪費了。當木材被燃燒用於烹飪時，木質素副產品有助於為食物帶來煙熏味。但燃燒會將所有這些碳釋放到大氣中，而不是將其收集起來用於其他用途。

“我們的生物模擬酶在降解真正的木質素方面顯示出了希望，這被認為是一個突破，”該論文的通訊作者、WSU的Gene和Linda Voiland化學工程和生物工程學院的副教授Xiao Zhang說道，“我們認為有機會開發一類新的催化劑並真正解決生物和化學催化劑的限制。”

木質素存在於所有維管束植物中，它形成細胞壁並為植物提供剛性。木質素使樹木能夠站立、使蔬菜具有硬度並佔木材重量的約20-35%。由於木質素暴露在空氣中會變成黃色，木製品行業將其作為精細造紙過程的一部分加以清除。一旦被清除，它往往會被低效地燃燒以生產燃料和電力。

一個多世紀以來，化學家們一直在嘗試用木質素製造有價值的產品，但都以失敗告終。這種令人沮喪的記錄可能即將改變。

比自然更好

“這是第一種仿自然的酶，我們知道它能有效地消化木質素並產生可用作生物燃料和化學生產的化合物，”通訊作者、西北太平洋國家實驗室研究員、華盛頓大學化學工程和化學系副教授Chun-Long Chen說道。

在自然界中，真菌和細菌能用它們的酶分解木質素，這就是森林中覆蓋著蘑菇的原木的分解方式。酶提供了一個比化學降解更環保的過程，而化學降解需要高熱並消耗的能量比產生的能量多。

但天然酶會隨著時間的推移而降解，這使得它們很難在工業過程中使用。另外，它們還非常昂貴。

“真的很難從微生物中生產出有意義的數量的這些酶以供實際使用。然後一旦你分離出它們，它們就會變得非常脆弱和不穩定。但這些酶提供了一個很好的機會以激發出複制其基本設計的模型，”Zhang說道。

雖然研究人員一直無法利用天然酶來為他們工作，但幾十年來，他們已經了解了很多關於它們如何工作的知識。Zhang的研究團隊最近發表的一篇評論文章概述了應用木質素降解酶的挑戰和障礙。他補充道：“了解這些障礙為設計仿生物酶提供了新的見解。”

類肽支架是關鍵

在目前的研究中，研究人員用稱為類肽物的蛋白質類分子取代了圍繞天然酶活性部位的肽。然後這些類肽物自我組裝成納米級的結晶管和片。類肽物最早是在20世紀90年代開發的，用於模仿蛋白質的功能。它們有幾個獨特的特點–包括高穩定性–使科學家能解決天然酶的不足之處。在這種情況下，它們提供了高密度的活性位點，而這在天然酶中是不可能得到的。

Chen說道：“我們可以精確地組織這些活性位點並為催化活動調整它們的局部環境。我們有更高的活性位點密度，而不是一個活性位點。”

如預期的那樣，這些人工酶也比天然版本的酶更穩定和強大，因此它們可以在高達60攝氏度的溫度下工作，而這個溫度會破壞天然酶。

Chen說道：“這項工作真的開闢了新的機會。這是在能用一種環境無害的方法將木質素轉化為有價值的產品方面邁出的重要一步。”

如果新的生物模擬酶可以得到進一步的改進以提高轉化率進而產生更多的選擇性產品，那麼它有可能擴大到工業規模。該技術為航空生物燃料和生物基材料的可再生材料都提供了新的途徑及其他應用。