Wisconsin-Madisonin yliopiston biokemian professorin John Ralphin (vas.) ja tutkija Steve Karlenin johtama työryhmä on saanut patentin menetelmälle, jolla syntetisoidaan parasetamolia – Tylenolin vaikuttavaa ainetta – kasviaineesta peräisin olevasta luonnollisesta yhdisteestä. Kuva: Chelsea Mamott
Suurten järvien bioenergian tutkimuskeskuksen (Great Lakes Bioenergy Research Center) tutkijat ovat löytäneet uuden menetelmän syntetisoida suosittua särkylääkettä kasveista fossiilisten polttoaineiden sijasta ja löytäneet keinon lievittää kahta päänsärkyä kerralla.
Wisconsin-Madisonin yliopiston biokemian professorin John Ralphin johtama ryhmä on saanut patentin menetelmästä, jolla syntetisoidaan parasetamolia – Tylenolin vaikuttavaa ainetta – kasvimateriaalista saatavasta luonnollisesta yhdisteestä. Menetelmä tarjoaa uusiutuvan vaihtoehdon nykyiselle valmistusprosessille, jossa käytetään kivihiilitervasta peräisin olevia kemikaaleja. Se luo myös käyttökelpoisen tuotteen kasvien soluseinien runsaasta mutta vaikeasti hallittavasta komponentista, ligniinistä.
Kuvassa ligniininäytteitä Wisconsin Energy Instituten laboratoriossa. Kuva: Chelsea Mamott
”Ligniini on erittäin monimutkainen ja sotkuinen polymeeri. Yksikään kasvin molekyyli ei ole täsmälleen samanlainen”, Ralph sanoo. ”Se tarjoaa kasville erittäin tehokkaasti rakennetta ja puolustusta, mutta sen hajottaminen käyttökelpoisiksi materiaaleiksi on meille haastavaa.”
Bioenergiakasvien, kuten poppelin, ligniini voi aiheuttaa päänvaivaa bioenergiatutkijoille sen sitkeän taipumuksen vuoksi, Ralph sanoo. Kun kasvin sokerit on käytetty biopolttoaineiden tuottamiseen, jäljelle jäävä ligniini yleensä poltetaan energiaksi.
Wisconsin Alumni Research Foundationin jättämä patenttihakemus kuvaa tapaa, jolla ligniinissä esiintyvä molekyyli voidaan muuntaa parasetamoliksi. Se myönnettiin toukokuussa Ralphille, Steven Karlenille UW-Madisonista ja Justin Mobleylle, entiselle GLBRC:n postdoc-tutkijalle, joka on nyt Kentuckyn yliopistossa.
Steve Karlen, UW-Madisonin tutkija, valmistelee näytettä John Ralphin laboratoriossa Wisconsinin energiainstituutin (Wisconsin Energy Institute) rakennuksessa Wisconsinin osavaltiossa Madisonissa, Wisconsin osavaltiossa, torstaina 27. kesäkuuta 2019. Kuva: Chelsea Mamott
Rakenteellisesti parasetamoli on suhteellisen yksinkertainen yhdiste: kuusihiilinen bentseenirengas, johon on liitetty kaksi pientä kemiallista ryhmää. Poppelipuut tuottavat luonnostaan hyvin samanlaista rakennetta, jota kutsutaan p-hydroksibentsoaatiksi ja joka on kiinnittynyt ligniiniin.
”Vaikka ligniiniä itsessään on haastavaa hajottaa, p-hydroksibentsoaatti on melko helppo leikata irti melko puhtaana virrana”, Ralph sanoo.
Tutkijat keksivät lyhyen kemiallisten reaktioiden sarjan, jonka avulla he voivat muuntaa molekyylin parasetamoliksi. Menetelmä on edullinen ja perustuu aiemmin GLBRC:ssä kehitettyyn biomassan esikäsittelyprosessiin.
Sen lisäksi, että äskettäin patentoitu prosessi tarjoaa keinon syntetisoida parasetamolia uusiutuvasta ja kestävästä raaka-aineesta, se parantaa biojalostuksen – eli polttoaineiden ja muiden teollisuusmateriaalien tuottamisen kasveista – yleistä lopputulosta.
”Minkä tahansa oheistuotteen tuottaminen rahaksi edistää biojalostamon taloutta”, Ralph kertoo. ”Monissa tapauksissa nämä tuotteet ovat jopa arvokkaampia kuin polttoaine.”
Kasvimateriaalin kemiallisena etuna on myös se, että se lähtee liikkeelle molekyylistä, jolla on jo jonkin verran haluttua rakennetta. Monimutkaisemmat petrokemikaalit on ensin paloiteltava molekyylien perusrungoiksi, ennen kuin ne voidaan rakentaa takaisin halutuiksi yhdisteiksi.
”Kun teollisuus valmistautuu siirtymään pois fossiilisiin polttoaineisiin perustuvasta taloudesta, biomassaan perustuvien polkujen pitäminen valmiina on olennainen osa tätä prosessia”, Ralph sanoo. ”Tässä on tilaisuus valmistaa erittäin kysyttyjä ”vihreitä” lääkkeitä kasveista fossiilisten polttoaineiden sijaan.”
Asetaminofeeni ja siihen liittyvät molekyylit ovat käyttökelpoisia myös raaka-ainekemikaaleina, eli teollisina rakennuspalikoina, joita käytetään muun muassa muiden lääkkeiden, muovien ja polttoaineiden valmistukseen.
Tutkijat työskentelevät nyt prosessin hiomiseksi, jotta kasviperäisen parasetamolin saantoa ja puhtautta voitaisiin parantaa.
Tutkimusta on tuettu energiaministeriön apurahalla (DE-SC0018409).