Een team onder leiding van John Ralph (links), professor biochemie aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, en onderzoekswetenschapper Steve Karlen heeft een octrooi gekregen voor een methode om acetaminofen – het actieve bestanddeel in Tylenol – te synthetiseren uit een natuurlijke verbinding die van plantaardig materiaal is afgeleid. Foto door Chelsea Mamott
Met een nieuwe methode om een populair pijnstillend medicijn te synthetiseren uit planten in plaats van fossiele brandstoffen, hebben onderzoekers van het Great Lakes Bioenergy Research Center een manier gevonden om twee hoofdpijnen in één keer te verlichten.
Een team onder leiding van John Ralph, professor in de biochemie aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, heeft een octrooi gekregen voor een methode om acetaminophen – het actieve bestanddeel in Tylenol – te synthetiseren uit een natuurlijke verbinding die is afgeleid van plantaardig materiaal. De aanpak biedt een hernieuwbaar alternatief voor het huidige productieproces, waarbij chemicaliën worden gebruikt die zijn afgeleid van koolteer. Het creëert ook een nuttig product uit een overvloedig maar moeilijk te beheren bestanddeel van plantencelwanden, lignine genaamd.
Gebeeld zijn ligninemonsters in het laboratorium van het Wisconsin Energy Institute. Foto door Chelsea Mamott
“Lignine is een uiterst complex, rommelig polymeer. Geen twee moleculen in een plant zijn precies hetzelfde,” zegt Ralph. “Het is zeer effectief voor het bieden van structuur en verdediging voor de plant, maar het is een uitdaging voor ons om af te breken in bruikbare materialen.”
De lignine in bio-energiegewassen, zoals populier, kan een hoofdpijn creëren voor bio-energie-onderzoekers vanwege zijn recalcitrante neigingen, zegt Ralph. Zodra de plantensuikers worden gebruikt om biobrandstoffen te produceren, wordt de lignine die overblijft meestal verbrand voor energie.
De octrooiaanvraag, ingediend door de Wisconsin Alumni Research Foundation, beschrijft een manier om een molecuul dat in lignine wordt aangetroffen om te zetten in acetaminofen. Het werd in mei toegekend aan Ralph, Steven Karlen van UW-Madison, en Justin Mobley, een voormalige GLBRC-postdoc die nu aan de Universiteit van Kentucky is.
Steve Karlen, onderzoekswetenschapper aan UW-Madison, bereidt een monster voor in het lab van John Ralph in het gebouw van het Wisconsin Energy Institute in Madison, Wis., donderdag 27 juni 2019. Foto door Chelsea Mamott
Structureel is acetaminofen een relatief eenvoudige verbinding: een zeskoolstofbenzeenring met twee kleine chemische groepen eraan. Populierbomen maken van nature een zeer vergelijkbare structuur, genaamd p-hydroxybenzoaat, vastgehecht aan lignine.
“Hoewel lignine zelf een uitdaging is om af te breken, is het p-hydroxybenzoaat vrij gemakkelijk af te knippen als een vrij zuivere stroom,” zegt Ralph.
Van daaruit bedachten de onderzoekers een korte reeks chemische reacties om de molecule om te zetten in acetaminofen. De methode is goedkoop en bouwt voort op een voorbehandelingsproces voor biomassa dat eerder bij GLBRC is ontwikkeld.
Naast het in kaart brengen van een manier om acetaminofen te synthetiseren uit een hernieuwbaar, duurzaam bronmateriaal, verbetert het nieuw gepatenteerde proces de algehele bottom line voor bioraffinage – dat wil zeggen het produceren van brandstoffen en andere industriële materialen uit planten.
“Geld verdienen aan elk nevenproduct helpt de economie van de bioraffinaderij aan te jagen,” legt Ralph uit. “In veel gevallen zijn deze producten zelfs waardevoller dan de brandstof.”
Het plantaardige materiaal biedt ook het chemische voordeel dat het begint met een molecuul dat al een deel van de gewenste structuur heeft. Complexere petrochemische stoffen moeten eerst worden gestript tot basismoleculaire backbones voordat ze weer worden opgebouwd tot de gewenste verbindingen.
“Als industrieën zich voorbereiden op een verschuiving weg van een op fossiele brandstoffen gebaseerde economie, zal het hebben van op biomassa gebaseerde routes in de aanslag een essentieel onderdeel van dat proces zijn,” zegt Ralph. “Hier is een kans om een veelgevraagd, ‘groen’ geneesmiddel te maken van planten in plaats van van fossiele brandstoffen.”
Acetaminophen en verwante moleculen zijn ook nuttig als commodity-chemicaliën, de industriële bouwstenen die worden gebruikt om producten te maken, waaronder andere geneesmiddelen, kunststoffen en brandstoffen.
De onderzoekers werken nu aan de verfijning van het proces om de opbrengst en zuiverheid van het van planten afgeleide acetaminofen te verbeteren.
Dit onderzoek werd ondersteund door een subsidie van het Department of Energy (DE-SC0018409).
>