«Nos estamos inspirando en la biología», dijo Zhao. “Estamos intentando duplicar las características de las enzimas naturales. Y hasta ahora, tenemos buenos resultados”.
Las enzimas son proteínas naturales que actúan como catalizadores, regulando las reacciones químicas que mantienen los procesos biológicos y el funcionamiento de los seres vivos. Las enzimas, por ejemplo, catalizan el metabolismo celular, incluida la descomposición de los alimentos para la digestión.
Tres enzimas (endocelulasa, exocelulasa y betaglucosidasa) pueden descomponer y digerir la fibra vegetal o celulosa.
Las enzimas naturales parecen ser un buen lugar para que las industrias recurran al procesamiento de celulosa. Pero son caros. No pueden sobrevivir a altas temperaturas ni a disolventes no acuosos. Además, son inestables y difíciles de reciclar para volver a producirlos.
El grupo de investigación de Zhao ha trabajado unos 10 años para desarrollar catalizadores de nanopartículas capaces de resolver esos problemas. Subvenciones de la Institutos Nacionales de Salud y el Fundación Nacional de Ciencias (NSF) han apoyado ese trabajo. El Fundación de Investigación de la Universidad Estatal de Iowa está buscando la protección de patentes de la tecnología y está buscando socios comerciales.
Una nueva subvención de 700.000 dólares por tres años de la NSF (con 400.000 dólares para la investigación del estado de Iowa) impulsarán las últimas ideas de Zhao sobre catalizadores que imitan enzimas. El nuevo proyecto incluye simulaciones por ordenador de los sitios de reacción activos mediante Sijia Dong, profesora asistente de química y biología química en la Universidad Northeastern de Boston.
Las simulaciones, dijo Zhao, “nos ayudarán a comprender mejor nuestro sistema. Este es un sistema muy complejo”.
Aprovechar al máximo las micelas
El grupo de investigación de Zhao está aprovechando nanoesferas dinámicas conocidas como micelas. Se ensamblan cuando cadenas de moléculas tensioactivas (que reducen la tensión superficial en los líquidos) se exponen al agua, lo que hace que las cabezas hidrofílicas de las moléculas, amantes del agua, formen una capa exterior y las colas hidrofóbicas que odian el agua se giren dentro de esa capa. .
Zhao y su grupo han encontrado una manera de que las micelas se ensamblen alrededor de moléculas plantilla que se asemejan a sitios activos. Una vez solidificadas por la luz ultravioleta, estas “nanopartículas impresas molecularmente” tienen un tamaño de 5 milmillonésimas de metro y la forma y el tamaño exactos para imitar las propiedades catalíticas y de unión de las enzimas naturales. Las nanopartículas tienen grupos catalíticos que apuntan directamente a los enlaces de azúcar en los polímeros de celulosa para descomponerlos de manera eficiente y selectiva.
“Si tiene éxito, la investigación producirá catalizadores sintéticos para la celulosa (descomposición) que pueden competir con las celulasas naturales en actividad pero que son mucho más fáciles de preparar y reciclar”, según un resumen del proyecto.
Eso podría convertirlos en una opción viable para la industria, dijo Zhao, quien está interesado en establecer asociaciones con empresas.
Al fin y al cabo, la tecnología se adapta al estado y a los tiempos.
«La conversión de biomasa es un gran problema no sólo para el estado de Iowa», dijo Zhao, señalando un mercado potencial para la biomasa cultivada en campos agrícolas en todo el estado, «sino que el mundo en este momento está interesado en una economía y sostenibilidad con neutralidad de carbono». .”
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