在一个细雨蒙蒙的下午，赵岩指着校园窗外的树木。作为爱荷华州立大学的化学教授，他正在开创一种新型合成催化剂，这种催化剂可以分解纤维素，而纤维素是植物纤维，是树木高度和强度的来源。纤维素经久耐用--树木不会在雨后消失，因此分解纤维素是一项巨大的挑战。

在分解纤维素的竞赛中，合成催化剂现在处于两种天然酶的中间位置。插图：Yan Zhao/爱荷华州立大学

赵认为，他有一个想法和一项技术可以完成这项工作，使植物生物质成为一种实用的糖类来源，可以转化为燃料和化学品等多种用途。

向大自然学习

赵岩和他的研究小组正在开发的合成催化剂就像超级酶一样，能够像自然界中的酶一样分解纤维素，但要在更极端的环境中并经过反复循环使用。

"我们的灵感来自生物学，"赵说。"我们试图复制天然酶的特征。到目前为止，我们取得了不错的成果。"

酶是一种天然蛋白质，起着催化剂的作用，能调节化学反应，使生物过程和生物体的功能得以维持。例如，酶催化细胞新陈代谢，包括分解食物以供消化。三种酶--内纤维素酶、外纤维素酶和β-葡萄糖苷酶--可以分解和消化植物纤维或纤维素。

赵岩正致力于开发合成催化剂，以帮助工业界分解植物纤维，生产燃料和化学品。资料来源：Christopher Gannon/爱荷华州立大学

天然酶似乎是工业界加工纤维素的好帮手。但它们价格昂贵。它们无法在高温或非水溶剂中生存。而且它们不稳定，很难再循环用于生产。

赵的研究小组经过大约 10 年的努力，开发出了能够解决这些问题的纳米粒子催化剂。美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会（NSF）为这项工作提供了资助。爱荷华州立大学研究基金会正在为这项技术申请专利保护，并寻求商业合作伙伴。

美国国家科学基金会（NSF）新近拨款 70 万美元（其中 40 万美元用于爱荷华州立大学的研究），为期三年，将推进赵国栋关于仿酶催化剂的最新想法。新项目包括由波士顿东北大学化学和化学生物学助理教授董思佳（Sijia Dong）对活性反应位点进行计算机模拟。

赵说："模拟将帮助我们更好地理解我们的系统。这是一个非常复杂的系统。"

充分利用胶束

赵的研究小组正在利用被称为胶束的动态纳米球。当表面活性剂分子链（可降低液体的表面张力）接触到水时，它们会自行组装起来，使分子中亲水、喜水的头部形成一个外壳，而憎水、疏水的尾部则在外壳内转动。

研究小组找到了一种让胶束在类似活性位点的模板分子周围聚集的方法。这些"分子印迹纳米粒子"在紫外线照射下凝固后，大小为50亿分之一米，其形状和大小完全可以模仿天然酶的结合和催化特性。这种纳米粒子上的催化基团直接指向纤维素聚合物中的糖链，可以高效、有选择性地分解纤维素聚合物。

根据项目摘要，"如果研究成功，将产生纤维素（分解）合成催化剂，其活性可与天然纤维素酶相媲美，但更易于制备和回收利用"。这可能使它们成为工业界的一个可行选择，他有兴趣与企业建立合作关系。毕竟，这项技术符合国家和时代的需要。

赵说："生物质转换不仅对爱荷华州是一件大事，全州农田里种植的生物质具有潜在的市场，而且现在全世界都对碳中性经济和可持续发展感兴趣。"