Форматът може да се разглежда като гръбнак на въглеродно неутрална биоикономика, произведен от CO2 чрез (електро)химични методи и превърнат в продукти с добавена стойност чрез ензимни каскади или инженерни микроорганизми. Важна стъпка в разширяването на асимилацията на синтетичен формиат е неговата термодинамично сложна редукция на формалдехид, която тук се проявява като промяна на жълтия цвят. Снимка: Институт по сухоземна микробиология Макс Планк/Гайзел.
Учени от Института Макс Планк са създали синтетичен метаболитен път, който преобразува въглеродния диоксид във формалдехид с помощта на мравчена киселина, предлагайки въглеродно неутрален начин за производство на ценни материали.
Нови анаболни пътища за фиксиране на въглероден диоксид не само помагат за намаляване на нивата на въглероден диоксид в атмосферата, но могат и да заменят традиционното химическо производство на фармацевтични продукти и активни съставки с въглеродно неутрални биологични процеси. Ново изследване демонстрира процес, чрез който мравчената киселина може да се използва за превръщане на въглеродния диоксид в материал, ценен за биохимичната индустрия.
Предвид нарастването на емисиите на парникови газове, улавянето на въглерод или улавянето на въглероден диоксид от големи източници на емисии е належащ проблем. В природата асимилацията на въглероден диоксид протича от милиони години, но мощността му далеч не е достатъчна, за да компенсира антропогенните емисии.
Изследователи, ръководени от Тобиас Ерб от Института по земна микробиология „Макс Планк“, използват природни инструменти, за да разработят нови методи за фиксиране на въглероден диоксид. Те вече са успели да разработят изкуствен метаболитен път, който произвежда силно реактивен формалдехид от мравчена киселина, възможен междинен продукт в изкуствената фотосинтеза. Формалдехидът може директно да влезе в няколко метаболитни пътя, за да образува други ценни вещества, без никакви токсични ефекти. Както при естествения процес, са необходими две основни съставки: енергия и въглерод. Първата може да бъде осигурена не само от пряка слънчева светлина, но и от електричество – например, слънчеви модули.
Във веригата за създаване на стойност източниците на въглерод са променливи. Въглеродният диоксид не е единствената опция тук, говорим за всички отделни въглеродни съединения (градивни елементи C1): въглероден оксид, мравчена киселина, формалдехид, метанол и метан. Почти всички тези вещества обаче са силно токсични, както за живите организми (въглероден оксид, формалдехид, метанол), така и за планетата (метанът като парников газ). Едва след като мравчената киселина бъде неутрализирана до основния си формиат, много микроорганизми понасят високи концентрации от нея.
„Мравчената киселина е многообещаващ източник на въглерод“, подчертава Марен Натерман, първи автор на изследването. „Но превръщането ѝ във формалдехид in vitro е много енергоемко.“ Това е така, защото формиатът, солта на формиата, не се превръща лесно във формалдехид. „Има сериозна химическа бариера между тези две молекули и преди да можем да осъществим истинска реакция, трябва да я преодолеем с помощта на биохимична енергия – АТФ.“
Целта на изследователите е била да намерят по-икономичен начин. В края на краищата, колкото по-малко енергия е необходима за подаване на въглерод в метаболизма, толкова повече енергия може да се използва за стимулиране на растежа или производството. Но в природата няма такъв начин. „Откриването на така наречените хибридни ензими с множество функции изискваше известна креативност“, казва Тобиас Ерб. „Откриването на кандидат-ензими обаче е само началото. Говорим за реакции, които могат да се броят заедно, защото са много бавни – в някои случаи има по-малко от една реакция в секунда на ензим. Естествените реакции могат да протичат със скорост, която е хиляда пъти по-бърза.“ Тук се намесва синтетичната биохимия, казва Марен Натерман: „Ако знаете структурата и механизма на един ензим, знаете къде да се намесите. Това е било от голяма полза.“
Оптимизацията на ензимите включва няколко подхода: специализиран обмен на градивни елементи, генериране на случайни мутации и селекция на капацитет. „Както формиатът, така и формалдехидът са много подходящи, защото могат да проникнат през клетъчните стени. Можем да добавим формиат към клетъчната културална среда, което произвежда ензим, който превръща получения формалдехид в нетоксично жълто багрило след няколко часа“, каза Марен. Натерман обясни.
Резултатите за толкова кратък период от време не биха били възможни без използването на високопроизводителни методи. За да постигнат това, изследователите си сътрудничиха с индустриалния партньор Festo в Еслинген, Германия. „След около 4000 вариации, учетворихме добива си“, казва Марен Натерман. „По този начин създадохме основата за растежа на моделния микроорганизъм E. coli, микробният работен кон на биотехнологиите, върху мравчена киселина. В момента обаче нашите клетки могат да произвеждат само формалдехид и не могат да го трансформират допълнително.“
В сътрудничество със своя сътрудник Себастиан Уинк от Института по растителна молекулярна физиология, изследователите от Макс Планк в момента разработват щам, който може да поема междинни продукти и да ги въвежда в централния метаболизъм. Същевременно екипът провежда изследвания върху електрохимичното превръщане на въглеродния диоксид в мравчена киселина с работна група в Института за химическо преобразуване на енергията „Макс Планк“ под ръководството на Валтер Лайтнер. Дългосрочната цел е „универсална платформа“ от въглероден диоксид, произведен чрез електробиохимични процеси, до продукти като инсулин или биодизел.
Референция: Марен Натерман, Себастиан Венк, Паскал Пфистер, Хай Хе, Сънг Хуанг Лий, Витолд Шимански, Нилс Гунтерман, Файинг Жу „Разработване на нова каскада за превръщане на фосфат-зависим формиат във формалдехид in vitro и in vivo“, Ленарт Никел, Шарлот Уолнер, Ян Заржицки, Никол Пачия, Нина Гайсерт, Джанкарло Франчо, Валтер Лайтнер, Рамон Гонзалес и Тобиас Дж. Ерб, 9 май 2023 г., Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Дом на най-добрите технологични новини от 1998 г. Бъдете в крак с най-новите технологични новини чрез имейл или социални медии. > Имейл дайджест с безплатен абонамент
Изследователи от Cold Spring Harbor Laboratories откриха, че SRSF1, протеин, който регулира сплайсинга на РНК, е повишен в панкреаса.