Format lahko razumemo kot hrbtenico ogljično nevtralnega biogospodarstva, ki se proizvaja iz CO2 z uporabo (elektro)kemičnih metod in se s pomočjo encimskih kaskad ali spremenjenih mikroorganizmov pretvori v izdelke z dodano vrednostjo. Pomemben korak pri širjenju asimilacije sintetičnega formata je njegova termodinamično kompleksna redukcija formaldehida, ki se tukaj kaže kot rumena sprememba barve. Avtor fotografije: Inštitut za kopensko mikrobiologijo Max Planck/Geisel.
Znanstveniki na Inštitutu Max Planck so ustvarili sintetično presnovno pot, ki s pomočjo mravljinčne kisline pretvarja ogljikov dioksid v formaldehid, kar ponuja ogljično nevtralen način za proizvodnjo dragocenih materialov.
Nove anabolne poti za fiksacijo ogljikovega dioksida ne le pomagajo zmanjšati raven ogljikovega dioksida v ozračju, temveč lahko tudi nadomestijo tradicionalno kemično proizvodnjo farmacevtskih izdelkov in aktivnih sestavin z ogljično nevtralnimi biološkimi procesi. Nove raziskave prikazujejo postopek, s katerim se lahko mravljinčna kislina uporabi za pretvorbo ogljikovega dioksida v material, dragocen za biokemijsko industrijo.
Glede na porast emisij toplogrednih plinov je sekvestracija ogljika oziroma sekvestracija ogljikovega dioksida iz velikih virov emisij pereče vprašanje. V naravi asimilacija ogljikovega dioksida poteka že milijone let, vendar njena moč še zdaleč ni zadostna za nadomestitev antropogenih emisij.
Raziskovalci pod vodstvom Tobiasa Erba z Inštituta za kopensko mikrobiologijo Maxa Plancka uporabljajo naravna orodja za razvoj novih metod za fiksiranje ogljikovega dioksida. Zdaj jim je uspelo razviti umetno presnovno pot, ki iz mravljinčne kisline proizvaja visoko reaktivni formaldehid, možni vmesni produkt v umetni fotosintezi. Formaldehid lahko neposredno vstopi v več presnovnih poti in tvori druge dragocene snovi brez kakršnih koli strupenih učinkov. Kot pri naravnem procesu sta potrebni dve glavni sestavini: energija in ogljik. Prvo lahko zagotovimo ne le z neposredno sončno svetlobo, temveč tudi z elektriko – na primer s sončnimi moduli.
V vrednostni verigi so viri ogljika spremenljivi. Ogljikov dioksid tukaj ni edina možnost, govorimo o vseh posameznih ogljikovih spojinah (gradniki C1): ogljikovem monoksidu, mravljinčni kislini, formaldehidu, metanolu in metanu. Vendar so skoraj vse te snovi zelo strupene, tako za žive organizme (ogljikov monoksid, formaldehid, metanol) kot za planet (metan kot toplogredni plin). Šele ko je mravljinčna kislina nevtralizirana v njen bazični format, mnogi mikroorganizmi prenašajo njene visoke koncentracije.
»Mravljinčna kislina je zelo obetaven vir ogljika,« poudarja Maren Nattermann, prva avtorica študije. »Vendar pa je njena pretvorba v formaldehid in vitro zelo energetsko intenzivna.« To je zato, ker format, sol formata, ni lahko pretvoriti v formaldehid. »Med tema dvema molekulama obstaja resna kemična ovira in preden lahko izvedemo pravo reakcijo, jo moramo premagati s pomočjo biokemične energije – ATP.«
Cilj raziskovalcev je bil najti bolj ekonomičen način. Navsezadnje, manj energije kot je potrebne za dovajanje ogljika v presnovo, več energije se lahko uporabi za spodbujanje rasti ali proizvodnje. Vendar takega načina v naravi ni. »Odkritje tako imenovanih hibridnih encimov z več funkcijami je zahtevalo nekaj ustvarjalnosti,« pravi Tobias Erb. »Vendar pa je odkritje kandidatnih encimov šele začetek. Govorimo o reakcijah, ki jih je mogoče šteti skupaj, ker so zelo počasne – v nekaterih primerih je na encim manj kot ena reakcija na sekundo. Naravne reakcije lahko potekajo s hitrostjo, ki je tisočkrat hitrejša.« Tukaj pride na vrsto sintetična biokemija, pravi Maren Nattermann: »Če poznate strukturo in mehanizem encima, veste, kje posredovati. Bila je v veliko korist.«
Optimizacija encimov vključuje več pristopov: specializirano izmenjavo gradnikov, generiranje naključnih mutacij in izbiro kapacitete. »Tako format kot formaldehid sta zelo primerna, ker lahko prodreta skozi celične stene. V gojišče za celične kulture lahko dodamo format, ki proizvede encim, ki nastali formaldehid po nekaj urah spremeni v nestrupeno rumeno barvilo,« je dejal Maren. Pojasnil je Nattermann.
Rezultati v tako kratkem času ne bi bili mogoči brez uporabe visokozmogljivih metod. Raziskovalci so pri tem sodelovali z industrijskim partnerjem Festo v Esslingenu v Nemčiji. »Po približno 4000 variacijah smo početverili naš pridelek,« pravi Maren Nattermann. »Tako smo ustvarili osnovo za rast modelnega mikroorganizma E. coli, mikrobnega delovnega konja biotehnologije, na mravljinčni kislini. Vendar pa trenutno naše celice lahko proizvajajo le formaldehid in ga ne morejo dodatno transformirati.«
Raziskovalci na univerzi Max Planck trenutno v sodelovanju s sodelavcem Sebastianom Winkom z Inštituta za molekularno fiziologijo rastlin razvijajo sev, ki lahko absorbira intermediate in jih vnese v centralni metabolizem. Hkrati ekipa izvaja raziskave o elektrokemični pretvorbi ogljikovega dioksida v mravljinčno kislino z delovno skupino na Inštitutu za kemijsko pretvorbo energije Max Planck pod vodstvom Walterja Leitnerja. Dolgoročni cilj je »univerzalna platforma«, od ogljikovega dioksida, proizvedenega z elektrobiokemičnimi procesi, do produktov, kot sta inzulin ali biodizel.
Referenca: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu »Razvoj nove kaskade za pretvorbo fosfatno odvisnega formata v formaldehid in vitro in in vivo«, Lennart Nickel., Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez in Tobias J. Erb, 9. maj 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Dom najboljših tehnoloških novic od leta 1998. Bodite na tekočem z najnovejšimi tehnološkimi novicami prek e-pošte ali družbenih medijev. > E-poštni povzetek z brezplačno naročnino
Raziskovalci v laboratorijih Cold Spring Harbor so ugotovili, da je SRSF1, protein, ki uravnava spajanje RNA, v trebušni slinavki povečano izražen.