生物能源突破：开发出更便宜的方法来帮助从工厂生产燃料

一个新发现可能使生物燃料生产更具成本效益。

化学家，工程师在实验室中创建生物能源生产的关键组成部分。

科学家们已经开发出了一种便宜，更有效的方法来进行许多生物过程的核心化学反应，这可能导致更好的方法来从植物中生产生物燃料。

多年来，世界各地的科学家一直在尝试以更廉价的方式生产生物燃料和其他生物产品。这项发表在科学报告杂志上的研究表明，这样做是可能的。

俄亥俄州立大学化学与生物化学教授，论文的高级作者文卡特·戈帕兰（Venkat Gopalan）说：“如果想使最终产品与化石燃料竞争，那么将糖转化为酒精的过程必须非常有效。”“如何做到这一点的过程已经很成熟，但是成本使得它没有竞争力，即使有大量的政府补贴也是如此。这项新进展可能有助于降低成本。”

他们发现的核心：一种更便宜，更简单的方法来创建“辅助分子”，使细胞中的碳转化为能量。这些辅助分子（化学家称之为辅助因子）是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）及其衍生物（NADPH）。长期以来，这些辅因子的还原形式一直是将植物中的糖转化为丁醇或乙醇作为燃料的关键部分。两种辅助因子在减慢癌细胞的新陈代谢中也起着重要作用，并且已经成为某些癌症的治疗靶标。

但是NADH和NADPH很昂贵。

该论文的资深作者，俄亥俄州立大学最近退休的教授维什·苏伯拉马纳姆（Vish Subramaniam）说：“如果将生产成本削减一半，那将使生物燃料成为用汽油生产柔性燃料的极具吸引力的添加剂。”“丁醇通常不用作添加剂，因为它并不便宜。但是，如果您能廉价地制造它，那么演算会突然发生变化。您可以将丁醇的成本削减一半，因为这种辅助因子的使用会增加成本。”

为了在实验室中创建这些减少的辅助因子，研究人员通过对镍和铜（两种廉价元素）进行分层来构建电极。该电极使他们能够从其相应的氧化形式中重新生成NADH和NADPH。在实验室中，研究人员能够使用NADPH作为辅因子，从另一种分子生产醇，他们故意进行了一项测试，以证明他们构­建的电极可以帮助将植物细胞等生物质转化为生物燃料。这项工作是由Subramaniam实验室的两名机械和航空航天工程研究生Jonathan Kadowaki和Travis Jones以及Gopalan实验室的博士后研究员Anindita Sengupta进行的。

但是由于NADH和NADPH是细胞内部这么多能量转换过程的核心，因此这一发现可以帮助其他合成应用。

Subramaniam的先前工作表明，电磁场可以减缓某些乳腺癌的扩散。他于2020年12月31日从俄亥俄州立大学退休。

他说，这一发现是有联系的：科学家可能可以更轻松，更经济地控制某些癌细胞中的电子流动，从而有可能减慢其生长速度和转移能力。

Subramaniam还在随后的科学生涯中花费了大量时间来探索科学家是否可以创建合成植物，这种植物将利用太阳的能量将二氧化碳转化为氧气。他认为，在足够大的规模上，这样的创造有可能减少大气中二氧化碳的含量，并有助于应对气候变化。

“我一直对'‘我们可以制造合成植物吗？”这个问题一直很感兴趣。我们可以用二氧化碳做些能解决全球变暖问题的东西吗？’Subramaniam说。“如果因为我们不停地通过砍伐森林而破坏植物来处理植物是不切实际的，还有其他无机方法可以做到这一点吗？”

这一发现可能是朝着这个目标迈出的一步：植物利用NADPH将二氧化碳转化为糖，这些糖最终通过光合作用变成氧气。使NADPH更加易于使用和负担得起，可以进行人工光合作用反应。

但是它最有可能也是最直接的应用是生物燃料。

研究人员聚集在一起进行这项科学调查的情况很少见：生物化学家和工程师通常不会进行联合实验室研究。

戈帕兰和Subramaniam在俄亥俄州立大学应用植物科学中心（CAPS）举行的集思广益会议上会面，他们被告知要思考可能有助于解决社会最大难题的“广阔天空构想”。Subramaniam向Gopalan讲述了他在电极和电池方面的工作，“接下来我们知道的是，我们正在讨论这个项目，” Gopalan说。“如果不是CAPS研讨会，我们当然不会互相交谈。”

参考：J. T. Kadowaki，T。H. Jones，A。Sengupta，V。Gopalan和V. V. Subramaniam撰写的“用于直接NADPH再生的基于铜的阴极”，科学报告，DOI：2021年1月8日。
10.1038 / s41598-020-79761-6