新型酶可降解木質素,將植物廢料轉為高價值產品

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一個英美工程團隊發現了細胞色素 P450 的新家族酶,或可成為降解植物木質素並將其轉化為高價值尼龍、生物塑膠、化學品、燃料等產品的關鍵。

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木質素(lignin)是一類有機聚合物,其複雜程度令人難以置信,在維管植物和一些藻類支持組織中充當重要結構材料,尤其是木材與樹皮,維管植物中負責輸水的木質部即含有大量木質素,幫助木質部維持高硬度以承拓整株植物的重量,且不易腐爛、能防禦病原體。

自然界中只有少量真菌與細菌可以消化木質素,但木質素是永續化學品的巨大潛在來源,如果我們能找到有效的方法提取利用,有機會帶來壯觀經濟效益,且由木質素衍生的產品能減少對石油產品的依賴,減少燃燒時所排放的二氧化碳量,科學家為此已尋找了各種方法數十年。

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最近,來自英國樸茨茅斯大學、美國國家再生能源實驗室(NREL)、美國蒙大拿州立大學、加州大學洛杉磯分校的英美工程團隊發現了細胞色素 P450 酶新家族,可以打破最棘手的天然聚合物。

細胞色素 P450(cytochrome P450)超家族(官方縮寫 CYP)是一大類多種多樣的酶,這些蛋白質於人體內被發現,科學家已研究數十年有餘,並各自歸類至家族 A~家族 M。大多數細胞色素 P450 酶的功能是催化、氧化有機化合物,也是非常重要的藥物(有毒化合物)代謝酶,約占各種代謝反應總數 75%。

而團隊找到了細胞色素 P450 的全新分子結構,在降解木質素並轉化方面起到關鍵作用,歸類至細胞色素 P450 的新家族 N。

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一開始,美國國家再生能源實驗室分子生物學家 Christopher Johnson 發現一種細胞色素 P450,可以將愈創木酚(guaiacol)轉化成兒茶酚(catechol),為了使其表現更好,團隊需要回推酶的工作原理,在利用先進技術建立其分子結構後,從而發現新的 P450 家族。

《Green Car Congress》報導,愈創木酚是木質素最簡單的組成成份之一,在工業上用途廣泛,常見於生產各種香料如:丁香酚、香蘭素和人造麝香;兒茶酚則可以分解成粘康酸酯(muconate),後者為製造生物塑膠一種很重要的化學品。

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研究人員進一步分析發現新型細胞色素 P450 酶不單只是愈創木酚轉化專家,還是能對各種物質去甲基(demethylation)的通才,其中微生物轉化木質素的關鍵反應就是去甲基作用。

該團隊成員之一英國樸茨茅斯大學分子生物學教授 John McGeehan,早些時候剛與喬治亞大學微生物學家 Ellen Neidle 合作開發出加速酶進化的方法,希望早日將木質素轉化為高價值永續產品商業化。

研究第一作者為英國樸茨茅斯大學結構生物學博士後研究員 Sam Mallinson,論文已發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

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來源: UOPNEWS