Wetenschappers hebben een goedkopere, efficiëntere manier om een ​​chemische reactie uit te voeren in het hart van veel biologische processen, wat kan leiden tot betere manieren om biobrandstoffen uit planten te maken.

Wetenschappers over de hele wereld proberen al jaren biobrandstoffen en andere bioproducten goedkoper te maken; deze studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , suggereert dat dit mogelijk is.

"Het proces om suiker om te zetten in alcohol moet heel efficiënt zijn als je wilt dat het eindproduct kan concurreren met fossiele brandstoffen. " zei Venkat Gopalan, een senior auteur op het papier en hoogleraar scheikunde en biochemie aan de Ohio State University. "Het proces om dat te doen is goed ingeburgerd, maar de kosten maken het niet concurrerend, zelfs met aanzienlijke overheidssubsidies. Deze nieuwe ontwikkeling zal waarschijnlijk helpen om de kosten te verlagen."

De kern van hun ontdekking:een goedkopere en eenvoudigere methode om de 'helpermoleculen' te maken waarmee koolstof in cellen in energie kan worden omgezet. Die hulpmoleculen (die chemici cofactoren noemen) zijn nicotinamide-adenine-dinucleotide (NADH) en zijn derivaat (NADPH). Het is al lang bekend dat deze co-factoren in hun gereduceerde vorm een ​​belangrijk onderdeel zijn van het omzetten van suiker uit planten in butanol of ethanol voor brandstoffen. Beide cofactoren spelen ook een belangrijke rol bij het vertragen van het metabolisme van kankercellen en zijn een doelwit geweest voor de behandeling van sommige kankers.

Maar NADH en NADPH zijn duur.

"Als je de productiekosten kunt halveren, dat zou van biobrandstoffen een zeer aantrekkelijk additief maken om flexbrandstoffen te maken met benzine, " zei Vish Subramaniam, een senior auteur op het papier en onlangs gepensioneerde professor in de techniek aan de Ohio State. "Butanol wordt vaak niet als additief gebruikt omdat het niet goedkoop is. Maar als je het goedkoop zou kunnen maken, plotseling zou de calculus veranderen. Je zou de kosten van butanol kunnen halveren, omdat de kosten verbonden zijn aan het gebruik van deze cofactor."

Om deze verminderde cofactoren in het laboratorium te creëren, de onderzoekers bouwden een elektrode door nikkel en koper in lagen aan te brengen, twee goedkope elementen. Met die elektrode konden ze NADH en NADPH recreëren uit hun overeenkomstige geoxideerde vormen. In het labortorium, de onderzoekers konden NADPH gebruiken als cofactor bij het produceren van een alcohol uit een ander molecuul, een test die ze opzettelijk deden om aan te tonen dat de elektrode die ze bouwden, zou kunnen helpen biomassa - plantencellen - om te zetten in biobrandstoffen. Dit werk werd uitgevoerd door Jonathan Kadowaki en Travis Jones, twee afgestudeerde studenten werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek in het Subramaniam-lab, en Anindita Sengupta, een postdoctoraal onderzoeker in het Gopalan-lab.

Maar omdat NADH en NADPH de kern vormen van zoveel energieomzettingsprocessen in cellen, deze ontdekking zou andere synthetische toepassingen kunnen helpen.

Subramaniams eerdere werk toonde aan dat elektromagnetische velden de verspreiding van sommige borstkankers kunnen vertragen. Hij trok zich op 31 december terug uit de staat Ohio.

Deze bevinding hangt samen, hij zei:het zou voor wetenschappers mogelijk kunnen zijn om de stroom van elektronen in sommige kankercellen gemakkelijker en betaalbaarder te regelen, mogelijk vertragend voor hun groei en het vermogen om te metastaseren.

Subramaniam heeft ook een groot deel van zijn latere wetenschappelijke carrière besteed aan het onderzoeken of wetenschappers een synthetische plant konden maken, iets dat de energie van de zon zou gebruiken om koolstofdioxide om te zetten in zuurstof. Op voldoende grote schaal, hij dacht, zo'n creatie zou mogelijk de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer kunnen verminderen en de klimaatverandering helpen aanpakken.

"Ik ben altijd geïnteresseerd geweest in die vraag, 'Kunnen we een synthetische plant maken? Kunnen we iets maken dat dit probleem van de opwarming van de aarde kan oplossen met kooldioxide?'" zei Subramaniam. "Als het onpraktisch is om het met planten te doen omdat we ze blijven vernietigen door ontbossing, zijn er andere anorganische manieren om dit te doen?"

Deze ontdekking zou een stap in de richting van dat doel kunnen zijn:planten gebruiken NADPH om koolstofdioxide om te zetten in suikers, die uiteindelijk zuurstof worden door fotosynthese. Door NADPH toegankelijker en betaalbaarder te maken, zou het mogelijk kunnen worden om een ​​kunstmatige fotosynthesereactie teweeg te brengen.

Maar de meest waarschijnlijke en meest directe toepassing is voor biobrandstoffen.

Dat de onderzoekers voor dit wetenschappelijk onderzoek bij elkaar kwamen was zeldzaam:biochemici en ingenieurs doen niet vaak gezamenlijk laboratoriumonderzoek.

Gopalan en Subramaniam ontmoetten elkaar tijdens een brainstormsessie georganiseerd door Ohio State's Center for Applied Plant Sciences (CAPS), waar ze moesten nadenken over 'big sky-ideeën' die zouden kunnen helpen bij het oplossen van enkele van de grootste problemen van de samenleving. Subramaniam vertelde Gopalan over zijn werk met elektroden en cellen, "en het volgende dat we wisten, we bespraken dit project, "Zei Gopalan. "We zouden zeker niet met elkaar hebben gesproken als de CAPS-workshop er niet was geweest."