Format se može smatrati okosnicom ugljično neutralne bioekonomije, proizvedene iz CO2 korištenjem (elektro)kemijskih metoda i pretvorene u proizvode s dodanom vrijednošću korištenjem enzimskih kaskada ili inženjerskih mikroorganizama. Važan korak u proširenju asimilacije sintetskog formata je njegova termodinamički složena redukcija formaldehida, koja se ovdje pojavljuje kao promjena žute boje. Izvor: Institut za kopnenu mikrobiologiju Max Planck/Geisel.
Znanstvenici s Instituta Max Planck stvorili su sintetički metabolički put koji pretvara ugljikov dioksid u formaldehid uz pomoć mravlje kiseline, nudeći ugljično neutralan način proizvodnje vrijednih materijala.
Novi anabolički putevi fiksacije ugljikovog dioksida ne samo da pomažu u smanjenju razine ugljikovog dioksida u atmosferi, već mogu i zamijeniti tradicionalnu kemijsku proizvodnju lijekova i aktivnih sastojaka ugljično neutralnim biološkim procesima. Novo istraživanje pokazuje proces kojim se mravlja kiselina može koristiti za pretvorbu ugljikovog dioksida u materijal vrijedan za biokemijsku industriju.
S obzirom na porast emisija stakleničkih plinova, sekvestracija ugljika ili sekvestracija ugljikovog dioksida iz velikih izvora emisija predstavlja goruće pitanje. U prirodi se asimilacija ugljikovog dioksida odvija milijunima godina, ali njezina snaga nije ni blizu dovoljna da kompenzira antropogene emisije.
Istraživači predvođeni Tobiasom Erbom iz Instituta za kopnenu mikrobiologiju Max Planck koriste prirodne alate za razvoj novih metoda fiksiranja ugljikovog dioksida. Sada su uspjeli razviti umjetni metabolički put koji proizvodi visoko reaktivni formaldehid iz mravlje kiseline, mogućeg međuprodukta u umjetnoj fotosintezi. Formaldehid može izravno ući u nekoliko metaboličkih putova stvarajući druge vrijedne tvari bez ikakvih toksičnih učinaka. Kao i kod prirodnog procesa, potrebna su dva glavna sastojka: energija i ugljik. Prvi se može osigurati ne samo izravnom sunčevom svjetlošću, već i električnom energijom - na primjer, solarnim modulima.
U lancu vrijednosti, izvori ugljika su varijabilni. Ugljikov dioksid ovdje nije jedina opcija, govorimo o svim pojedinačnim ugljikovim spojevima (C1 građevni blokovi): ugljikov monoksid, mravlja kiselina, formaldehid, metanol i metan. Međutim, gotovo sve te tvari su vrlo toksične, kako za žive organizme (ugljikov monoksid, formaldehid, metanol) tako i za planet (metan kao staklenički plin). Tek nakon što se mravlja kiselina neutralizira do svog bazičnog formata, mnogi mikroorganizmi toleriraju njezine visoke koncentracije.
„Mravlja kiselina je vrlo obećavajući izvor ugljika“, naglašava Maren Nattermann, prva autorica studije. „Ali njezino pretvaranje u formaldehid in vitro vrlo je energetski intenzivno.“ To je zato što se format, sol formata, ne pretvara lako u formaldehid. „Postoji ozbiljna kemijska barijera između ove dvije molekule i prije nego što možemo provesti pravu reakciju, moramo je prevladati uz pomoć biokemijske energije – ATP-a.“
Cilj istraživača bio je pronaći ekonomičniji način. Uostalom, što je manje energije potrebno za unos ugljika u metabolizam, to se više energije može iskoristiti za poticanje rasta ili proizvodnje. Ali takav način u prirodi ne postoji. „Otkriće takozvanih hibridnih enzima s više funkcija zahtijevalo je određenu kreativnost“, kaže Tobias Erb. „Međutim, otkriće kandidatskih enzima samo je početak. Govorimo o reakcijama koje se mogu brojati zajedno jer su vrlo spore - u nekim slučajevima postoji manje od jedne reakcije u sekundi po enzimu. Prirodne reakcije mogu se odvijati brzinom koja je tisuću puta brža.“ Tu dolazi do izražaja sintetska biokemija, kaže Maren Nattermann: „Ako znate strukturu i mehanizam enzima, znate gdje intervenirati. To je bilo od velike koristi.“
Optimizacija enzima uključuje nekoliko pristupa: specijaliziranu izmjenu gradivnih blokova, generiranje slučajnih mutacija i odabir kapaciteta. „I format i formaldehid su vrlo prikladni jer mogu prodrijeti kroz stanične stijenke. Možemo dodati format u medij za staničnu kulturu, koji proizvodi enzim koji pretvara rezultirajući formaldehid u netoksičnu žutu boju nakon nekoliko sati“, rekao je Maren. Objasnio je Nattermann.
Rezultati u tako kratkom vremenskom razdoblju ne bi bili mogući bez korištenja visokoučinkovitih metoda. Kako bi to postigli, istraživači su surađivali s industrijskim partnerom Festom u Esslingenu u Njemačkoj. „Nakon otprilike 4000 varijacija, učetverostručili smo prinos“, kaže Maren Nattermann. „Dakle, stvorili smo osnovu za rast modelnog mikroorganizma E. coli, mikrobnog radnog konja biotehnologije, na mravljoj kiselini. Međutim, trenutno naše stanice mogu proizvoditi samo formaldehid i ne mogu ga dalje transformirati.“
U suradnji sa svojim suradnikom Sebastianom Winkom iz Instituta za molekularnu fiziologiju biljaka, istraživači Max Plancka trenutno razvijaju soj koji može apsorbirati međuprodukte i uvesti ih u središnji metabolizam. Istovremeno, tim provodi istraživanje elektrokemijske pretvorbe ugljikovog dioksida u mravlju kiselinu s radnom skupinom u Institutu za kemijsku pretvorbu energije Max Planck pod vodstvom Waltera Leitnera. Dugoročni cilj je „platforma za sve“ od ugljikovog dioksida proizvedenog elektrobiokemijskim procesima do proizvoda poput inzulina ili biodizela.
Literatura: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu „Razvoj nove kaskade za pretvorbu fosfatno ovisnog formata u formaldehid 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. svibnja 2023., Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Dom najboljih tehnoloških vijesti od 1998. Budite u tijeku s najnovijim tehnološkim vijestima putem e-pošte ili društvenih mreža. > Sažetak e-pošte s besplatnom pretplatom
Istraživači u Cold Spring Harbor Laboratories otkrili su da je SRSF1, protein koji regulira spajanje RNA, pojačano izražen u gušterači.