Forskare vid Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocesses Technology (QIBEBT) i Kina har gjort framsteg mot en mer hållbar och ekonomisk bränsleproduktion genom att utveckla ett biokemiskt tillvägagångssätt för att ge mer kontroll över omvandlingen av naturgas till användbart flytande bränsle.

Studien dök upp den 15 juli i ACS-katalys .

"Bioomvandlingen av naturgas till flytande bränsle har väckt stor uppmärksamhet som ett lovande tillvägagångssätt de senaste åren, " sa Cong Zhiqi, en författare på tidningen. "Dock, den selektiva hydroxyleringen av metan – huvudkomponenten i naturgas – har varit en av de stora utmaningarna för det vetenskapliga samfundet." Cong är professor vid Chinese Academy of Sciences Key Laboratory of Biofuels och Shandong Provincial Key Laboratory of Synthetic Biology i Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocesses Technology.

Metan och propan, en annan komponent av naturgas, är organiska molekyler som kallas alkaner. Består enbart av kol- och väteatomer, alkaner måste bearbetas betydligt innan de kan användas i bränsle. Processen inkluderar införande av syre och väte, kallas hydroxylgrupper, in i alkanen. Atomerna ordnar om sig själva, att producera en alkohol som kan användas som bränsle, såsom etanol.

Processen är indirekt på grund av hur selektiva alkaner är när de reagerar på hydroxylkatalysatorerna. Forskare har arbetat med att konstruera ett enzym som jämnt skulle kunna påskynda små alkanernas reaktion på hydroxylgrupper som behövs för att producera bränsle.

Enligt Cong, detta har varit en långvarig fråga på grund av oförmågan att direkt hydroxylera små alkaner. Med nuvarande bearbetning, vissa alkaner är för reaktiva och gör det resulterande bränslet oanvändbart.

I ett försök att kontrollera vilka alkaner som reagerar och i vilken grad, Cong och hans team fokuserade på flera proteinvarianter av P450 monooxygenas, som hjälper processen att införa hydroxylgrupper i alkanmolekyler. Det finns fler än 41, 000 varianter av enzymet, som alla kan orsaka olika reaktionsnivåer.

Forskarna uppnådde kontrollerbar selektiv hydroxylering av propan genom vad Cong kallar ett artificiellt P450-system som drivs av väteperoxid. Systemet består av en liten molekyl med dubbla funktioner (DFSM), väteperoxid och varianter av ett konstruerat P450-enzym som kallas P450BM3. Den konstruerade P45BM3 är förberedd för att reagera på väteperoxiden, och DFSM håller ihop enzymet och väteperoxiden, tillåta reaktionen att inträffa.

Reaktionen fortsätter över till propanen, framgångsrikt omvandla alkanerna till alkoholer som kan omvandlas till bränsle. De fann att systemet hade jämförbara eller bättre katalytiska egenskaper än det enda kända peroxidberoende naturliga enzymet av små alkaner, beroende på vilken variant av P450BM3 de använde.

I konstruktionen av varianterna, forskarna ersatte substraten på den del av enzymet som binder till väteperoxiden med mer reaktiva versioner. Detta hjälpte annars inerta kolbindningar att bryta isär och binda med andra tillgängliga atomer.

"Denna studie gav det första exemplet på direkt hydroxylering av små alkaner av de peroxiddrivna P450BM3-varianterna. Detta utökar den syntetiska verktygslådan avsevärt mot utvecklingen av en praktisk katalysator för bränslebearbetning, " sa Cong.

Forskarna forskar nu om de specifika molekylära mekanismerna för reaktionerna, och planerar att använda denna information för att utveckla liknande system för användning med andra naturgaskomponenter, såsom metan.

"Vi hoppas att vi kan finjustera enzymet ytterligare för användning i metanoxidation, också, " sa Cong.