Forskare har kommit på en billigare, mer effektivt sätt att genomföra en kemisk reaktion i hjärtat av många biologiska processer, vilket kan leda till bättre sätt att skapa biobränslen från växter.

Forskare runt om i världen har i flera år försökt skapa biobränslen och andra bioprodukter billigare; den här studien, publiceras idag i tidskriften Vetenskapliga rapporter , föreslår att det är möjligt att göra det.

"Processen att omvandla socker till alkohol måste vara mycket effektiv om du vill att slutprodukten ska vara konkurrenskraftig med fossila bränslen, sa Venkat Gopalan, en senior författare på tidningen och professor i kemi och biokemi vid Ohio State University. "Processen för hur man gör det är väletablerad, men kostnaden gör det inte konkurrenskraftigt, även med betydande statliga subventioner. Denna nya utveckling kommer sannolikt att hjälpa till att sänka kostnaderna."

Kärnan i deras upptäckt:En billigare och enklare metod för att skapa "hjälparmolekylerna" som gör att kol i celler kan omvandlas till energi. Dessa hjälpmolekyler (som kemister kallar kofaktorer) är nikotinamidadenindinukleotid (NADH) och dess derivat (NADPH). Dessa kofaktorer i sina reducerade former har länge varit kända för att vara en viktig del av att förvandla socker från växter till butanol eller etanol för bränsle. Båda kofaktorerna spelar också en viktig roll för att bromsa metabolismen av cancerceller och har varit ett mål för behandling av vissa cancerformer.

Men NADH och NADPH är dyra.

"Om du kan halvera produktionskostnaden, som skulle göra biobränslen till en mycket attraktiv tillsats för att tillverka flexbränslen med bensin, " sa Vish Subramaniam, en senior författare på tidningen och nyligen pensionerad professor i teknik vid Ohio State. "Butanol används ofta inte som tillsats eftersom det inte är billigt. Men om du kunde göra det billigt, plötsligt skulle kalkylen ändras. Du kan halvera kostnaden för butanol, eftersom kostnaden är bunden i användningen av denna kofaktor."

För att skapa dessa reducerade kofaktorer i labbet, forskarna byggde en elektrod genom att skikta nickel och koppar, två billiga element. Den elektroden tillät dem att återskapa NADH och NADPH från deras motsvarande oxiderade former. I labbet, forskarna kunde använda NADPH som en kofaktor för att producera en alkohol från en annan molekyl, ett test de gjorde avsiktligt för att visa att elektroden de byggde kunde hjälpa till att omvandla biomassa – växtceller – till biobränslen. Detta verk framfördes av Jonathan Kadowaki och Travis Jones, två mekanik- och rymdteknikstudenter i Subramaniam-labbet, och Anindita Sengupta, en postdoktor i Gopalan-labbet.

Men eftersom NADH och NADPH är kärnan i så många energiomvandlingsprocesser inuti celler, denna upptäckt kan hjälpa andra syntetiska tillämpningar.

Subramaniams tidigare arbete visade att elektromagnetiska fält kan bromsa spridningen av vissa bröstcancer. Han gick i pension från Ohio State den 31 december.

Detta fynd hänger ihop, han sa:Det kan vara möjligt för forskare att lättare och mer överkomligt kontrollera flödet av elektroner i vissa cancerceller, potentiellt bromsa deras tillväxt och förmåga att metastasera.

Subramaniam har också tillbringat mycket av sin senare vetenskapliga karriär med att utforska om forskare kunde skapa en syntetisk växt, något som skulle använda solens energi för att omvandla koldioxid till syre. I tillräckligt stor skala, han trodde, En sådan skapelse skulle potentiellt kunna minska mängden koldioxid i atmosfären och hjälpa till att hantera klimatförändringarna.

"Jag har alltid varit intresserad av frågan om, "Kan vi göra en syntetisk växt? Kan vi göra något som kan lösa detta globala uppvärmningsproblem med koldioxid?'" sa Subramaniam. "Om det är opraktiskt att göra det med växter eftersom vi fortsätter att förstöra dem genom avskogning, finns det andra oorganiska sätt att göra detta?"

Denna upptäckt kan vara ett steg mot det målet:växter använder NADPH för att förvandla koldioxid till socker, som så småningom blir syre genom fotosyntes. Att göra NADPH mer tillgängligt och mer överkomligt skulle kunna göra det möjligt att producera en artificiell fotosyntesreaktion.

Men dess mest troliga och mest omedelbara tillämpning är för biobränslen.

Att forskarna samlades för denna vetenskapliga undersökning var sällsynt:Biokemister och ingenjörer bedriver inte ofta gemensam laboratorieforskning.

Gopalan och Subramaniam träffades vid en brainstormingsession anordnad av Ohio State's Center for Applied Plant Sciences (CAPS), där de blev tillsagda att tänka på "big sky ideas" som kan hjälpa till att lösa några av samhällets största problem. Subramaniam berättade för Gopalan om sitt arbete med elektroder och celler, "och nästa sak vi visste, vi diskuterade det här projektet, " sa Gopalan. "Vi skulle verkligen inte ha pratat med varandra om det inte vore för CAPS-workshopen."