Format se može smatrati okosnicom ugljično neutralne bioekonomije, proizvedene iz CO2 korištenjem (elektro)hemijskih metoda i pretvorene u proizvode s dodanom vrijednošću korištenjem enzimskih kaskada ili inženjerskih mikroorganizama. Važan korak u proširenju asimilacije sintetičkog formata je njegova termodinamički složena redukcija formaldehida, koja se ovdje pojavljuje kao promjena žute boje. Zasluge: Institut za kopnenu mikrobiologiju Max Planck/Geisel.
Naučnici sa Instituta Max Planck stvorili su sintetički metabolički put koji pretvara ugljični dioksid u formaldehid uz pomoć mravlje kiseline, nudeći ugljično neutralan način proizvodnje vrijednih materijala.
Novi anabolički putevi za fiksaciju ugljičnog dioksida ne samo da pomažu u smanjenju nivoa ugljičnog dioksida u atmosferi, već mogu i zamijeniti tradicionalnu hemijsku proizvodnju lijekova i aktivnih sastojaka ugljično neutralnim biološkim procesima. Novo istraživanje pokazuje proces kojim se mravlja kiselina može koristiti za pretvaranje ugljičnog dioksida u materijal vrijedan za biohemijsku industriju.
S obzirom na porast emisija stakleničkih plinova, sekvestracija ugljika ili sekvestracija ugljičnog dioksida iz velikih izvora emisija predstavlja goruće pitanje. U prirodi se asimilacija ugljičnog dioksida odvija milionima godina, ali njena snaga je daleko od dovoljne da kompenzira antropogene emisije.
Istraživači predvođeni Tobiasom Erbom iz Instituta za kopnenu mikrobiologiju Max Planck koriste prirodne alate za razvoj novih metoda za fiksiranje ugljičnog dioksida. Sada su uspjeli razviti umjetni metabolički put koji proizvodi visoko reaktivni formaldehid iz mravlje kiseline, mogućeg međuprodukta u umjetnoj fotosintezi. Formaldehid može direktno ući u nekoliko metaboličkih puteva formirajući druge vrijedne supstance bez ikakvih toksičnih efekata. Kao i kod prirodnog procesa, potrebna su dva glavna sastojka: energija i ugljik. Prvi se može obezbijediti ne samo direktnom 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 gradivni blokovi): ugljikov monoksid, mravlja kiselina, formaldehid, metanol i metan. Međutim, gotovo sve ove tvari su vrlo toksične, kako za žive organizme (ugljikov monoksid, formaldehid, metanol) tako i za planetu (metan kao staklenički plin). Tek nakon što se mravlja kiselina neutralizira do svog baznog formata, mnogi mikroorganizmi toleriraju njene visoke koncentracije.
„Mravlja kiselina je vrlo obećavajući izvor ugljika“, naglašava Maren Nattermann, prva autorica studije. „Ali njeno pretvaranje u formaldehid in vitro je vrlo energetski intenzivno.“ To je zato što se format, sol formata, ne pretvara lako u formaldehid. „Postoji ozbiljna hemijska barijera između ova dva molekula i prije nego što možemo izvesti pravu reakciju, moramo je savladati uz pomoć biohemijske 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 stimulaciju rasta ili proizvodnje. Ali takav način ne postoji u prirodi. „Otkriće takozvanih hibridnih enzima s više funkcija zahtijevalo je određenu kreativnost“, kaže Tobias Erb. „Međutim, otkriće kandidatskih enzima je samo 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 hiljadu puta brža.“ Tu dolazi do izražaja sintetička biohemija, kaže Maren Nattermann: „Ako znate strukturu i mehanizam enzima, znate gdje intervenirati. To je bilo od velike koristi.“
Optimizacija enzima uključuje nekoliko pristupa: specijaliziranu zamjenu gradivnih blokova, generiranje slučajnih mutacija i odabir kapaciteta. „I format i formaldehid su vrlo pogodni jer mogu prodrijeti kroz ćelijske zidove. Možemo dodati format u medij za kulturu ćelija, 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 periodu ne bi bili mogući bez upotrebe visokopropusnih metoda. Da bi to postigli, istraživači su sarađivali s industrijskim partnerom Festom u Esslingenu u Njemačkoj. „Nakon oko 4.000 varijacija, učetverostručili smo prinos“, kaže Maren Nattermann. „Na taj način smo stvorili osnovu za rast modelnog mikroorganizma E. coli, mikrobnog radnog konja biotehnologije, na mravljoj kiselini. Međutim, trenutno naše ćelije mogu proizvoditi samo formaldehid i ne mogu ga dalje transformirati.“
U saradnji sa svojim saradnikom Sebastianom Winkom iz Instituta za molekularnu fiziologiju biljaka, istraživači Max Plancka trenutno razvijaju soj koji može apsorbirati međuprodukte i uvesti ih u centralni metabolizam. Istovremeno, tim provodi istraživanje elektrohemijske konverzije ugljikovog dioksida u mravlju kiselinu s radnom grupom u Institutu za hemijsku konverziju energije Max Planck pod vodstvom Waltera Leitnera. Dugoročni cilj je „platforma koja odgovara svima“ od ugljikovog dioksida proizvedenog elektrobiohemijskim procesima do proizvoda poput inzulina ili biodizela.
Referenca: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu „Razvoj nove kaskade za konverziju fosfatno zavisnog 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. maj 2023., Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Dom najboljih tehnoloških vijesti od 1998. Budite u toku s najnovijim tehnološkim vijestima putem e-pošte ili društvenih mreža. > Sažetak putem e-pošte s besplatnom pretplatom
Istraživači u Cold Spring Harbor Laboratories otkrili su da je SRSF1, protein koji reguliše spajanje RNK, pojačano izražen u pankreasu.