Trong việc tìm kiếm giải pháp năng lượng tái tạo thay thế xăng, rượu nặng như Isobutanol là ứng cử viên đầy hứa hẹn. Không chỉ chứa nhiều năng lượng hơn ethanol, rượu nặng còn tương thích với xăng hơn trên cơ sở điều kiện hạ tầng hiện có. Tuy nhiên, đối với Isobutanol để trở thành thực tế, các nhà khoa học cần tìm ra cách để sản xuất số lượng lớn một cách hiệu quả từ các nguồn năng lượng tái tạo.

Các kỹ sư hóa học và sinh học ở MIT đã nghĩ ra một cách để tăng đáng kể sản xuất Isobutanol trong nấm men, với số lượng nhỏ và theo cách tự nhiên. Họ đã thiết kế men để tổng hợp Isobutanol diễn ra hoàn toàn trong ty thể, cấu trúc tế bào tạo ra năng lượng và cũng có thể đưa đến áp dụng nhiều biện pháp sinh tổng hợp. Sử dụng phương pháp này, có thể đẩy mạnh sản xuất Isobutanol đạt  khoảng 260%.

Ông Gregory Stephanopoulos, giáo sư MIT công nghệ hóa học và một trong những tác giả cao cấp của một bài báo mô tả công nghệ trong ấn bản tháng hai 17 Công nghệ sinh học Thiên nhiên đã nói, mặc dù vẫn còn thiếu quy mô cần thiết cho sản xuất công nghiệp, những gì đã làm được cho thấy rằng đây là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn với kỹ thuật không chỉ với Isobutanol mà với cả các hóa chất hữu ích khác.

Stephanopoulos cho biết: “Không phải chỉ là cơ hội với Isobutanol, nó mở ra cơ hội để so sánh rất nhiều các chất hóa sinh bên trong một cơ quan với tế bào chất của các tế bào nấm men, mà các chất hóa sinh này rất có thể là phù hợp hơn cho mục đích nghiên cứu."

Stephanopoulos hợp tác với Gerald Fink, một giáo sư của MIT ngành sinh học và là thành viên của Viện Whitehead, trên nghiên cứu này. Tác giả chính của bài báo là Jose Avalos, một tiến sĩ tại Viện Whitehead và MIT.

Avalos, tác giả chính của bài báo nói, trước đây các nhà nghiên cứu đã cố gắng ngăn cản sự sinh ra Isobutanol trong nấm men, bởi vì nó có thể làm hỏng hương vị của rượu vang và bia. Tuy nhiên, "bây giờ thì người ta lại cố gắng làm ra nó để làm nhiên liệu và các hóa chất khác" .

Nấm men thường sản xuất Isobutanol trong một loạt các phản ứng diễn ra tại hai địa điểm tế bào khác nhau. Tổng hợp bắt đầu với pyruvate, một phân tử phong phú được tạo ra do sự phân hủy của các loại đường như glucose. Pyruvate được vận chuyển vào ty thể, nơi nó có thể nhập nhiều đường trao đổi chất khác nhau, trong đó có một kết quả trong sản xuất valine, một amino acid. Alpha-ketoisovalerate (alpha-KIV), một tiền chất trong valine và phương pháp sinh tổng hợp Isobutanol, được thực hiện trong ty thể trong giai đoạn đầu tiên sản xuất Isobutanol.

Valine và alpha-KIV có thể được vận chuyển ra ngoài tế bào chất, nơi chúng được chuyển đổi bởi một tập hợp của các enzym vào Isobutanol. Các nhà nghiên cứu khác đã cố gắng để thể hiện tất cả các enzyme cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp Isobutanol trong tế bào chất. Tuy nhiên, thật khó để có được một số enzyme này hoạt động trong tế bào chất như thường làm trong ty thể.

Các nhà nghiên cứu MIT đã cách tiếp cận ngược lại: Họ di chuyển giai đoạn hai, mà xảy ra trong tế bào chất một cách tự nhiên, vào ti thể. Họ đã đạt được điều này bằng kỹ thuật enzym con đường trao đổi chất để thể hiện một thẻ thường được tìm thấy trên một protein ty thể, chỉ đạo các tế bào để gửi chúng vào các ty lạp thể.

Di dời enzyme này làm tăng sản xuất Isobutanol 260%, và sản lượng của hai rượu liên quan, isopentanol và 2-methyl-1 butanol-đi lên hơn nữa - 370 và 500%, tương ứng.
Các nhà nghiên cứu nói, có một số giả thuyết cho sự gia tăng này. Avalos nói, một khả năng rất lớn là tập hợp các enzym với nhau làm cho nó các phản ứng dễ xảy ra, tuy nhiên việc chứng minh bằng thực nghiệm là rất khó.

Một lời giải thích khác cho rằng có thể là do di chuyển nửa thứ hai của con đường vào các ty lạp thể làm cho các enzym dễ dàng hơn để lấy nguồn cung thường bị hạn chế trước khi chúng có thể nhập một con đường trao đổi chất.

Enzym từ giai đoạn thứ hai, chúng ở đây tự nhiên trong tế bào chất, phải chờ đợi để xem những gì đi ra của ty thể và cố gắng biến đổi nó. Nhưng khi bạn đưa chúng vào ty thể, chúng tốt hơn trong cạnh tranh với các con đường ở đây ", Avalos nói.

Các phát hiện này có thể có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật chuyển hóa. Có rất nhiều tình huống mà nó có thể là thuận lợi để giới hạn tất cả các bước của một phản ứng trong một không gian nhỏ, có thể không chỉ thúc đẩy hiệu quả mà còn ngăn chặn các trung gian có hại khỏi bay đi và làm tổn hại các tế bào.

Các nhà nghiên cứu đang cố gắng để tiếp tục tăng sản lượng Isobutanol và giảm tạo ethanol, vẫn là sản phẩm chính của quá trình tách đường ở nấm men.

"Tiếp cận các phương pháp tạo ethanol là một bước quan trọng trong việc làm cho men này thích hợp cho sản xuất Isobutanol, Stephanopoulos nói. "Sau đó, chúng ta cần phải giới đưa ra Isobutanol tổng hợp, thay thế cái này với cái khác, để duy trì cân bằng tất cả mọi thứ bên trong tế bào."

Nghiên cứu được tài trợ bởi Viện Quốc gia Y tế và Shell Giải pháp toàn cầu.