Onderzoekers van het Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocesses Technology (QIBEBT) in China hebben vooruitgang geboekt in de richting van een duurzamere en economischere brandstofproductie door een biochemische benadering te ontwikkelen om meer controle te krijgen over de omzetting van aardgas in bruikbare vloeibare brandstof.

De studie verscheen op 15 juli in ACS Katalyse .

"De bioconversie van aardgas in vloeibare brandstof heeft de afgelopen jaren veel aandacht getrokken als een veelbelovende aanpak, " zei Cong Zhiqi, een auteur op papier. "Echter, de selectieve hydroxylering van methaan - het belangrijkste bestanddeel van aardgas - is een van de grootste uitdagingen voor de wetenschappelijke gemeenschap." Cong is een professor in de Chinese Academie van Wetenschappen Key Laboratory of Biofuels en het Shandong Provincial Key Laboratory of Synthetic Biology in het Qingdao Instituut voor Bio-energie en Bioprocesses Technology.

Methaan en propaan, een ander bestanddeel van aardgas, zijn organische moleculen die alkanen worden genoemd. Bestaat uitsluitend uit koolstof- en waterstofatomen, alkanen moeten aanzienlijk worden verwerkt voordat ze in brandstof kunnen worden gebruikt. Het proces omvat de introductie van zuurstof en waterstof, hydroxylgroepen genoemd, in het alkaan. De atomen herschikken zichzelf, het produceren van een alcohol die als brandstof kan worden gebruikt, zoals ethanol.

Het proces is indirect vanwege de selectieve alkanen wanneer ze reageren op de hydroxylkatalysatoren. Onderzoekers hebben gewerkt aan de engineering van een enzym dat uniform zou versnellen langs de kleine alkanenreactie tot hydroxylgroepen die nodig zijn om brandstof te produceren.

Volgens Cong, dit is een al lang bestaand probleem vanwege het onvermogen om kleine alkanen direct te hydroxyleren. Met de huidige verwerking, sommige alkanen zijn te reactief en maken de resulterende brandstof onbruikbaar.

In een poging om te controleren welke alkanen reageren en in welke mate, Cong en zijn team concentreerden zich op verschillende eiwitvarianten van P450-monooxygenase, die het proces van het introduceren van hydroxylgroepen in alkaanmoleculen helpen. Er zijn meer dan 41, 000 varianten van het enzym, die allemaal verschillende reactieniveaus kunnen veroorzaken.

De onderzoekers bereikten controleerbare selectieve hydroxylering van propaan door wat Cong een kunstmatig P450-systeem noemt, aangedreven door waterstofperoxide. Het systeem bestaat uit een dual-function small molecule (DFSM), waterstofperoxide en varianten van een gemanipuleerd P450-enzym genaamd P450BM3. De gemanipuleerde P45BM3 is klaar om te reageren op het waterstofperoxide, en de DFSM houdt het enzym en waterstofperoxide bij elkaar, waardoor de reactie kan plaatsvinden.

De reactie gaat verder naar het propaan, het succesvol omzetten van de alkanen in alcoholen die kunnen worden omgezet in brandstof. Ze ontdekten dat het systeem vergelijkbare of betere katalytische eigenschappen had dan het enige bekende peroxide-afhankelijke natuurlijke enzym van kleine alkanen. afhankelijk van welke variant van P450BM3 ze gebruikten.

Bij het ontwerpen van de varianten, de onderzoekers vervingen de substraten van het enzym dat zich bindt met waterstofperoxide door meer reactieve versies. Dit hielp anders inerte koolstofbindingen uiteen te vallen en te binden met andere beschikbare atomen.

"Deze studie gaf het eerste voorbeeld van directe kleine alkaanhydroxylering door de peroxide-aangedreven P450BM3-varianten. Dit breidt de synthetische gereedschapskist aanzienlijk uit naar de ontwikkeling van een praktische katalysator voor brandstofverwerking, ' zei Cong.

De onderzoekers onderzoeken nu de specifieke moleculaire mechanismen van de reacties, en zijn van plan om die informatie te gebruiken om soortgelijke systemen te ontwikkelen voor gebruik met andere aardgascomponenten, zoals methaan.

"We hopen dat we het enzym verder kunnen afstemmen voor gebruik bij methaanoxidatie, ook, ' zei Cong.