SBIR Phase I: Carbon dioxide (CO2) fixation into cellulosic textile products through heteropolymer stabilization of enzymes in cell-free synthesis

SBIR 第一阶段:通过无细胞合成中酶的杂聚物稳定性将二氧化碳 (CO2) 固定到纤维素纺织产品中

基本信息

  • 批准号:
    2136045
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25.59万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-12-15 至 2022-11-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The broader impact of this Small Business Innovation Research (SBIR) Phase I proposal is in the development of a new carbon utilization technology with the ability to make high-value, essential products from carbon dioxide (CO2) like cellulosic textiles, food, and building materials. Enzymatic carbon utilization is of high interest due to its ability to make high-value natural products from carbon dioxide. The impediment to enzymatic carbon utilization technology has been the short longevity of both enzymes and input molecules under cell-free industrial conditions. This project will yield a novel enzyme stabilization approach for carbon fixation and synthesis enzymes. The resulting system may unlock CO2 as a new, natural resource for essential product supply chains that are carbon-negative and water- and land-neutral, unlocking a $10 trillion global market. This scalable technology could create a new carbon industry and advance manufacturing jobs in the United States. This technology could enable sustainable and domestic production of America’s most essential materials from waste carbon dioxide emissions at a cheaper cost than today’s production.This project involves a production method that applies a bio-inspired, non-covalent enzyme stabilization strategy that employs cell-free conversion of carbon emissions into cellulosic fibers for textiles in a CO2-to-textile process over industrially relevant time periods. The proposed stabilization method preserves enzyme conformation without harming baseline activity to allow for enzymatic activity in non-natural environments. The heteropolymers are synthesized using a standard reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization approach to produce disordered polymeric chains with diverse monomers of varying charges and hydrophilicity/hydrophobicity characteristics to complement and stabilize enzymes surfaces. The disordered nature of the polymers enables local surface binding to stabilize the enzyme, maintaining its conformation and protecting against denaturing or degradation. The project scope covers key technical hurdles: (1) the development of a enzyme stabilization technique for carbon fixation and synthesis enzymes, (2) the development of a carbon conversion system and process in a non-natural, industrial environment, and (3) confirmation of a full proof-of-concept solution that can be scalable from mL to 50L scale. If successful, the result is an effective enzyme stabilization method that can fix carbon emissions under cell-free conditions for use in industrial supply chains.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
这项小企业创新研究 (SBIR) 第一阶段提案的更广泛影响在于开发一种新的碳利用技术,能够利用二氧化碳 (CO2) 生产高价值的必需产品,如纤维素纺织品、食品和建筑酶法碳利用因其能够从二氧化碳生产高价值天然产物而受到高度关注,但酶法碳利用技术的障碍是在无细胞工业条件下酶和输入分子的寿命较短。项目将产生由此产生的系统可以将二氧化碳作为一种新的自然资源,用于碳负性、水和土地中性的基本产品供应链,从而释放出价值 10 万亿美元的全球市场。可扩展的技术可以创造一个新的碳工业并促进美国的制造业就业机会,该技术可以以比当今生产更便宜的成本实现美国最重要材料的可持续国内生产。适用于受生物启发的非共价酶稳定策略,在工业相关时间段内,在二氧化碳转化为纺织品的过程中,采用无细胞的方式将碳排放转化为纺织品的纤维素纤维,所提出的稳定方法可以保留酶的构象,而不损害酶的基线活性。允许在非自然环境中进行酶活性,使用标准的可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合方法合成杂聚物,以产生具有多种的无序聚合物链。具有不同电荷和亲水性/疏水性特征的单体可补充和稳定酶表面。聚合物的无序性质使局部表面结合能够稳定酶,保持其构象并防止变性或降解。 1) 开发用于碳固定和合成酶的酶稳定技术,(2) 在非自然工业环境中开发碳转化系统和工艺,以及 (3) 确认完整的碳转化系统和工艺。概念验证解决方案,可从 mL 扩展到 50L 规模。如果成功,结果是一种有效的酶稳定方法,可以在无细胞条件下固定碳排放,用于工业供应链。该奖项反映了 NSF 的法定使命。通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准进行评估,并被认为值得支持。

项目成果

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