超算助力纤维素解构的化学特性解密
查字典生物网
2016-11-07
木质纤维素生物质，如玉米秆、稻草和木本植物等是生产生物基燃料和化学品的可持续来源。但复杂的生物质解构过程是生物质开发利用的主要障碍。美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员此前已发现了木本植物和废弃生物质如何更容易转化为生物燃料的信息，其发表在《美国化学会志》的文章描述了这一过程的化学细节。
由田纳西大学（UT）与ORNL联合团队使用计算机模拟来研究生物量解构的化学本质。该团队此前已开发了一种预处理方法，用于分解已开始脱木质素（去除植物中木质素分子的过程）的生物质。共溶剂法主要使用四氢呋喃（THF）的水溶液，这是一种多功能的有机溶剂。这种共溶剂混合物与纤维素相互作用，以使其解构。纤维素的分解是其转化为乙醇的首要条件。科学家在对分解纤维素过程的更多细节有所认识时，他们将改进当前的预处理方法或发现更有效的新溶剂。
研究人员创建了多达33万个原子模型，并在ORNL旗舰超级计算机（Cray XK7泰坦）上运行模拟。他们发现THF-水共溶剂在纤维素结晶体的各个面上出现相分离。这些面是与某些酶或分子相互作用的不同区域。在相分离时，THF优先结合到纤维素的疏水表面，水则优先结合到亲水表面。THF增强水分子与连接两个糖分子的键的结合，这可能增加了纤维素的水解过程。
该团队还发现，纤维素降解时，其单链主要被水包围，而THF保持与纤维素的疏水表面结合。这些结果促进了研究人员对木质纤维素解构的化学特性的细致认识。
研究人员指出这一发现还将有助于未来发现新的共溶剂，并希望能编写一个程序，以自动筛选最佳溶剂。目前发现的是纤维素解构过程的两个最终状态，未来利用更多的计算能力，将绘制完整途径，包括模拟木质素生物质的降解途径，以了解两个端点之间发生的过程。
