Mrówczan może być postrzegany jako kręgosłup biogospodarki neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla. Jest wytwarzany z CO2 metodami (elektro)chemicznymi i przetwarzany w produkty o wartości dodanej za pomocą kaskad enzymatycznych lub modyfikowanych mikroorganizmów. Ważnym krokiem w rozszerzaniu przyswajalności syntetycznego mrówczanu jest jego termodynamicznie złożona redukcja formaldehydu, która w tym przypadku objawia się zmianą koloru na żółty. Źródło: Instytut Mikrobiologii Lądowej Max Planck/Geisel.
Naukowcy z Instytutu Maxa Plancka stworzyli syntetyczną ścieżkę metaboliczną, która przy pomocy kwasu mrówkowego przekształca dwutlenek węgla w formaldehyd. To neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla sposób wytwarzania cennych materiałów.
Nowe szlaki anaboliczne wiązania dwutlenku węgla nie tylko pomagają obniżyć poziom dwutlenku węgla w atmosferze, ale mogą również zastąpić tradycyjną chemiczną produkcję leków i substancji czynnych neutralnymi pod względem emisji dwutlenku węgla procesami biologicznymi. Nowe badania pokazują proces, w którym kwas mrówkowy może być wykorzystany do przekształcania dwutlenku węgla w materiał cenny dla przemysłu biochemicznego.
Biorąc pod uwagę wzrost emisji gazów cieplarnianych, sekwestracja dwutlenku węgla z dużych źródeł emisji jest palącym problemem. W naturze asymilacja dwutlenku węgla trwa od milionów lat, ale jej siła jest dalece niewystarczająca, aby zrekompensować emisje antropogeniczne.
Naukowcy pod kierownictwem Tobiasa Erba z Instytutu Mikrobiologii Lądowej im. Maxa Plancka wykorzystują naturalne narzędzia do opracowania nowych metod wiązania dwutlenku węgla. Udało im się opracować sztuczną ścieżkę metaboliczną, która wytwarza wysoce reaktywny formaldehyd z kwasu mrówkowego, potencjalnego produktu pośredniego w sztucznej fotosyntezie. Formaldehyd może bezpośrednio wchodzić w kilka ścieżek metabolicznych, tworząc inne cenne substancje bez żadnych skutków toksycznych. Podobnie jak w przypadku procesów naturalnych, potrzebne są dwa główne składniki: energia i węgiel. Pierwszy z nich może być dostarczany nie tylko przez bezpośrednie światło słoneczne, ale także przez energię elektryczną – na przykład z modułów fotowoltaicznych.
W łańcuchu wartości źródła węgla są zróżnicowane. Dwutlenek węgla nie jest tu jedyną opcją, mówimy o wszystkich pojedynczych związkach węgla (cegiełkach C1): tlenku węgla, kwasie mrówkowym, formaldehydzie, metanolu i metanie. Jednak prawie wszystkie te substancje są wysoce toksyczne, zarówno dla organizmów żywych (tlenek węgla, formaldehyd, metanol), jak i dla planety (metan jako gaz cieplarniany). Wiele mikroorganizmów toleruje wysokie stężenia kwasu mrówkowego dopiero po jego zneutralizowaniu do zasadowego mrówczanu.
„Kwas mrówkowy jest bardzo obiecującym źródłem węgla” – podkreśla Maren Nattermann, pierwsza autorka badania. „Jednak jego przekształcenie w formaldehyd in vitro jest bardzo energochłonne”. Dzieje się tak, ponieważ mrówczan, sól mrówczanu, nie ulega łatwej konwersji do formaldehydu. „Pomiędzy tymi dwiema cząsteczkami istnieje poważna bariera chemiczna i zanim będziemy mogli przeprowadzić prawdziwą reakcję, musimy ją pokonać za pomocą energii biochemicznej – ATP”.
Celem badaczy było znalezienie bardziej ekonomicznego sposobu. W końcu im mniej energii potrzeba do wprowadzenia węgla do metabolizmu, tym więcej energii można wykorzystać do stymulacji wzrostu lub produkcji. Ale w naturze nie ma takiego sposobu. „Odkrycie tak zwanych enzymów hybrydowych o wielu funkcjach wymagało pewnej kreatywności” – mówi Tobias Erb. „Jednak odkrycie enzymów kandydujących to dopiero początek. Mówimy o reakcjach, które można liczyć razem, ponieważ są bardzo powolne – w niektórych przypadkach na enzym przypada mniej niż jedna reakcja na sekundę. Naturalne reakcje mogą przebiegać tysiąc razy szybciej”. Tu właśnie wkracza syntetyczna biochemia, mówi Maren Nattermann: „Jeśli znasz strukturę i mechanizm działania enzymu, wiesz, gdzie interweniować. Przyniosło to ogromne korzyści”.
Optymalizacja enzymów obejmuje kilka podejść: specjalistyczną wymianę bloków budulcowych, losowe generowanie mutacji i selekcję pojemności. „Zarówno mrówczan, jak i formaldehyd są bardzo odpowiednie, ponieważ mogą przenikać przez ściany komórkowe. Możemy dodać mrówczan do pożywki hodowlanej, co wytworzy enzym, który po kilku godzinach przekształca powstały formaldehyd w nietoksyczny żółty barwnik” – powiedziała Maren. Wyjaśnił Nattermann.
Uzyskanie wyników w tak krótkim czasie nie byłoby możliwe bez zastosowania metod wysokoprzepustowych. W tym celu naukowcy nawiązali współpracę z partnerem przemysłowym Festo z Esslingen w Niemczech. „Po około 4000 wariantach czterokrotnie zwiększyliśmy wydajność” – mówi Maren Nattermann. „W ten sposób stworzyliśmy podstawę do hodowli modelowego mikroorganizmu E. coli, mikrobiologicznego konia roboczego biotechnologii, na kwasie mrówkowym. Jednak obecnie nasze komórki potrafią produkować jedynie formaldehyd i nie mogą go dalej przekształcać”.
We współpracy ze swoim współpracownikiem Sebastianem Winkiem z Instytutu Fizjologii Molekularnej Roślin, naukowcy z Max Planck opracowują obecnie szczep, który może absorbować produkty pośrednie i wprowadzać je do metabolizmu centralnego. Jednocześnie zespół prowadzi badania nad elektrochemiczną konwersją dwutlenku węgla do kwasu mrówkowego z grupą roboczą w Instytucie Konwersji Energii Chemicznej Max Planck pod kierownictwem Waltera Leitnera. Długoterminowym celem jest stworzenie „uniwersalnej platformy” dla dwutlenku węgla wytwarzanego w procesach elektrobiochemicznych, a następnie dla produktów takich jak insulina czy biodiesel.
Odniesienie: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu „Rozwój nowej kaskady do konwersji mrówczanu zależnego od fosforanu do formaldehydu in vitro i in vivo”, Lennart Nickel., Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez i Tobias J. Erb, 9 maja 2023 r., Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Strona z najlepszymi wiadomościami technologicznymi od 1998 roku. Bądź na bieżąco z najnowszymi wiadomościami technologicznymi za pośrednictwem poczty e-mail lub mediów społecznościowych. > E-mail z podsumowaniem i bezpłatną subskrypcją
Naukowcy z Cold Spring Harbor Laboratories odkryli, że SRSF1, białko regulujące składanie RNA, jest zwiększone w trzustce.