Forskere udvikler en billigere metode, der kan hjælpe med at skabe brændstoffer fra planter

Forskere har fundet ud af en billigere, mere effektiv måde at udføre en kemisk reaktion i hjertet af mange biologiske processer, hvilket kan føre til bedre måder at skabe biobrændstoffer fra planter.

Forskere over hele verden har i årevis forsøgt at skabe biobrændstoffer og andre bioprodukter billigere; dette studie, offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , tyder på, at det er muligt at gøre det.

"Processen med at omdanne sukker til alkohol skal være meget effektiv, hvis du vil have slutproduktet til at være konkurrencedygtigt med fossile brændstoffer, " sagde Venkat Gopalan, en senior forfatter på papiret og professor i kemi og biokemi ved Ohio State University. "Processen for, hvordan man gør det, er veletableret, men omkostningerne gør det ikke konkurrencedygtigt, selv med betydelige statslige tilskud. Denne nye udvikling vil sandsynligvis hjælpe med at sænke omkostningerne."

Kernen i deres opdagelse:En billigere og enklere metode til at skabe de 'hjælpermolekyler', der gør det muligt for kulstof i celler at blive omdannet til energi. Disse hjælpemolekyler (som kemikere kalder cofaktorer) er nikotinamid-adenindinukleotid (NADH) og dets derivat (NADPH). Disse cofaktorer i deres reducerede former har længe været kendt for at være en vigtig del af at omdanne sukker fra planter til butanol eller ethanol til brændstof. Begge cofaktorer spiller også en vigtig rolle i at bremse metabolismen af ​​kræftceller og har været et mål for behandling af nogle kræftformer.

Men NADH og NADPH er dyre.

"Hvis du kan halvere produktionsomkostningerne, der ville gøre biobrændstoffer til et meget attraktivt tilsætningsstof til fremstilling af flexbrændstoffer med benzin, " sagde Vish Subramaniam, en senior forfatter på papiret og for nylig pensioneret professor i ingeniørvidenskab ved Ohio State. "Butanol bruges ofte ikke som tilsætningsstof, fordi det ikke er billigt. Men hvis man kunne lave det billigt, pludselig ændrede beregningen sig. Du kan halvere prisen på butanol, fordi omkostningerne er bundet op i brugen af ​​denne cofaktor."

For at skabe disse reducerede cofaktorer i laboratoriet, forskerne byggede en elektrode ved at lægge nikkel og kobber i lag, to billige elementer. Denne elektrode tillod dem at genskabe NADH og NADPH fra deres tilsvarende oxiderede former. I laboratoriet, forskerne var i stand til at bruge NADPH som en co-faktor til at producere en alkohol fra et andet molekyle, en test, de gjorde med vilje for at vise, at den elektrode, de byggede, kunne hjælpe med at omdanne biomasse - planteceller - til biobrændstoffer. Dette værk blev udført af Jonathan Kadowaki og Travis Jones, to mekanik- og rumfartsingeniørstuderende i Subramaniam-laboratoriet, og Anindita Sengupta, en postdoc-forsker i Gopalan-laboratoriet.

Men fordi NADH og NADPH er kernen i så mange energiomdannelsesprocesser inde i celler, denne opdagelse kunne hjælpe andre syntetiske applikationer.

Subramaniams tidligere arbejde viste, at elektromagnetiske felter kan bremse spredningen af ​​nogle brystkræftformer. Han trak sig tilbage fra Ohio State den 31. december.

Dette fund er forbundet, han sagde:Det kan være muligt for forskere at kontrollere strømmen af ​​elektroner i nogle kræftceller nemmere og billigere, potentielt bremse deres vækst og evne til at metastasere.

Subramaniam har også brugt meget af sin senere videnskabelige karriere på at undersøge, om videnskabsmænd kunne skabe en syntetisk plante, noget, der ville bruge solens energi til at omdanne kuldioxid til ilt. I en tilstrækkelig stor skala, han tænkte, en sådan skabelse kan potentielt reducere mængden af ​​kuldioxid i atmosfæren og hjælpe med at håndtere klimaændringer.

"Jeg har altid været interesseret i det spørgsmål om, 'Kan vi lave en syntetisk plante? Kan vi lave noget, der kan løse dette globale opvarmningsproblem med kuldioxid?'" sagde Subramaniam. "Hvis det er upraktisk at gøre det med planter, fordi vi bliver ved med at ødelægge dem via skovrydning, er der andre uorganiske måder at gøre dette på?"

Denne opdagelse kunne være et skridt mod dette mål:Planter bruger NADPH til at omdanne kuldioxid til sukker, som til sidst bliver til ilt gennem fotosyntese. At gøre NADPH mere tilgængelig og mere overkommelig kunne gøre det muligt at producere en kunstig fotosyntesereaktion.

Men dens mest sandsynlige og mest umiddelbare anvendelse er til biobrændstoffer.

At forskerne kom sammen til denne videnskabelige undersøgelse var sjældent:Biokemikere og ingeniører udfører ikke ofte fælles laboratorieforskning.

Gopalan og Subramaniam mødtes til en brainstormsession arrangeret af Ohio State's Center for Applied Plant Sciences (CAPS), hvor de fik besked på at tænke på "big sky ideas", der kunne hjælpe med at løse nogle af samfundets største problemer. Subramaniam fortalte Gopalan om sit arbejde med elektroder og celler, "og det næste vi vidste, vi diskuterede dette projekt, " sagde Gopalan. "Vi ville bestemt ikke have talt med hinanden, hvis det ikke var for CAPS workshoppen."