Ett internationellt team av forskare ledd av biträdande professor Yan Ning, som är från Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid National University of Singapore (NUS), har utvecklat ett nytt hållbart kemiskt tillvägagångssätt för att producera en serie aminosyror från träbaserade biomassaderivat. Arbetet är ett samarbete med professor Wang Yes forskargrupp vid Xiamen University, tillsammans med forskare från Kyoto University i Japan, King Abdullah University of Science and Technology i Saudiarabien, National Renewable Energy Laboratory i USA och Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques i Schweiz.

Aminosyror är livsnödvändiga. De är byggstenarna för proteinbiosyntes och har omfattande industriella tillämpningar, inklusive att användas i livsmedel för människor, i djurfoder, och som prekursorer för biologiskt nedbrytbar plast, kosmetika, och farmaceutiska produkter.

Begränsningar i massproduktion av aminosyror

Aminosyror har komplexa kemiska strukturer och de produceras främst genom mikrobiella odlingsprocesser som jäsning, som är dyra, tidskrävande och kräver omfattande separationsprocesser.

Utvecklingen av effektiva kemiska metoder för att omvandla rikligt med och förnybart utgångsmaterial till aminosyror har också hittills i stort sett misslyckats. Den nuvarande konventionella kemiska metoden för att producera aminosyror använder mycket giftiga kemiska föreningar (cyanider) som kvävekällor och icke-förnybara organiska föreningar (aldehyder).

Genombrott i kemisk syntes av aminosyror

Det NUS-ledda forskarteamet har utvecklat ett nytt kemiskt tillvägagångssätt som snabbt kan producera aminosyror från träbaserade biomassaderivat som gräs, halm och flis från jordbruksavfall.

Denna nya metod går ut på att bryta ner glukos som härrör från den växtbaserade biomassan till mjölksyra med en bas i ett reaktorkärl som hålls vid rumstemperatur. Den producerade mjölksyran omvandlas sedan till en aminosyra vid 493 Kelvin (cirka 220 Celsius) med hjälp av en syntetisk katalysator som skapats av Asst Prof Yans team. Med hjälp av forskargruppens innovativa kemiska system, cirka 40 procent av den extraherade glukosen kan omvandlas till aminosyror på några timmar. Den resulterande aminosyrarika lösningen renas sedan med användning av membrandestillation.

Medan endast en aminosyra kan produceras varje gång, det nya systemet kan producera minst sex typer av aminosyror, inklusive leucin, alanin, asparaginsyra och fenylalanin. Leucin, till exempel, är en essentiell aminosyra för proteinsyntes och olika metaboliska funktioner i kroppen. Dock, det kan inte produceras naturligt av människokroppen och måste erhållas från vissa proteinrika livsmedel och kostkällor. Leucintillskott kan stimulera muskeltillväxt och hjälpa till att förhindra att musklerna försämras med åldern.

"Vår kemiska metod är potentiellt överlägsen mikrobiella odlingsprocesser. Det robusta systemet kan producera aminosyror som är av hög kvalitet, jämförbara med de som produceras genom konventionella mikrobiella odlingsprocesser. Viktigt, vårt system har ytterligare potential att helt omvandla all glukos i reaktorn och uppnå ett aminosyrautbyte så högt som 100 procent. Detta är inte möjligt för mikrobiella odlingsprocesser eftersom en betydande mängd glukos förbrukas för tillväxt av mikroorganismer eller bakterier, " förklarade Asst Prof Yan.

"Vi föreställer oss bönder och industrier som är beroende av aminosyror för att dra mest nytta av vårt genombrott. Vår nya kemiska metod för produktion av aminosyror är mycket snabbare, och det är också mer stabilt och hållbart än nuvarande mikrobiella odlingsprocesser. Vi behöver inte förlita oss på mikroorganismer eller bakterier som kräver strikta sterila villkor för långvarig omvandling av glukos till aminosyror och vi kan använda jordbruksavfall som en form av billig och hållbar utgångsråvara. Dessutom, den återstående vedartade biomassan som finns kvar efter glukosextraktionen kan vidarebearbetas till produkter som massa och papper, ", tillade biträdande prof Yan.

Nästa steg:Revolutionera aminosyraproduktionen, kemiskt

Asst Prof Yan och hans team optimerar och testar för närvarande systemet ytterligare för att utveckla ännu fler varianter av aminosyror som är högt efterfrågade i industrin. Asst Prof Yan arbetar också med ett annat projekt som undersöker direkt omvandling av växtbaserad biomassa till aminosyror av högt värde som tyrosin och L-DOPA. Tyrosin och L-DOPA är prekursorer för signalsubstanser som dopamin och adrenalin som spelar en viktig roll i kroppens sympatiska nervsystem. De kan användas för att behandla Parkinsons sjukdom, bland andra applikationer.