Formiaattia voidaan pitää hiilineutraalin biotalouden selkärankana, jota tuotetaan hiilidioksidista (sähkö)kemiallisilla menetelmillä ja muunnetaan lisäarvoa tuottaviksi tuotteiksi entsymaattisten reaktiokaskadien tai muunnettujen mikro-organismien avulla. Tärkeä askel synteettisen formiaatin assimilaation laajentamisessa on sen termodynaamisesti monimutkainen formaldehydin pelkistys, joka tässä tapauksessa näkyy keltaisena värinmuutoksena. Kuva: Institute of Terrestrial Microbiology Max Planck/Geisel.
Max Planck -instituutin tutkijat ovat luoneet synteettisen aineenvaihduntareitin, joka muuntaa hiilidioksidia formaldehydiksi muurahaishapon avulla, mikä tarjoaa hiilineutraalin tavan tuottaa arvokkaita materiaaleja.
Uudet anaboliset hiilidioksidin sitoutumisreitit eivät ainoastaan ​​auta vähentämään ilmakehän hiilidioksidipitoisuuksia, vaan ne voivat myös korvata perinteisen lääkkeiden ja aktiivisten aineiden kemiallisen tuotannon hiilineutraaleilla biologisilla prosesseilla. Uusi tutkimus osoittaa prosessin, jolla muurahaishappoa voidaan käyttää hiilidioksidin muuntamiseen biokemian teollisuudelle arvokkaaksi materiaaliksi.
Kasvihuonekaasupäästöjen kasvun vuoksi hiilensidonta eli hiilidioksidin sitominen suurista päästölähteistä on polttava kysymys. Luonnossa hiilidioksidin sitoutuminen on jatkunut miljoonia vuosia, mutta sen teho ei ole läheskään riittävä kompensoimaan ihmisen aiheuttamia päästöjä.
Tobias Erbin johtamat tutkijat Terrestrial Microbiology Institutesta Max Planck käyttävät luonnonmukaisia ​​työkaluja kehittääkseen uusia menetelmiä hiilidioksidin sitomiseksi. He ovat nyt onnistuneet kehittämään keinotekoisen aineenvaihduntareitin, joka tuottaa erittäin reaktiivista formaldehydiä muurahaishaposta, mahdollisesta välituotteesta keinotekoisessa fotosynteesissä. Formaldehydi voi osallistua suoraan useisiin aineenvaihduntareitteihin muodostaen muita arvokkaita aineita ilman myrkyllisiä vaikutuksia. Kuten luonnollisessa prosessissa, tarvitaan kaksi pääainesosaa: energiaa ja hiiltä. Ensimmäistä voidaan saada paitsi suorasta auringonvalosta myös sähköstä – esimerkiksi aurinkopaneeleista.
Arvoketjussa hiilen lähteet vaihtelevat. Hiilidioksidi ei ole tässä ainoa vaihtoehto, vaan puhumme kaikista yksittäisistä hiiliyhdisteistä (C1-rakennuspalikoista): hiilimonoksidista, muurahaishaposta, formaldehydistä, metanolista ja metaanista. Lähes kaikki nämä aineet ovat kuitenkin erittäin myrkyllisiä sekä eläville organismeille (hiilimonoksidi, formaldehydi, metanoli) että planeetalle (metaani kasvihuonekaasuna). Vasta kun muurahaishappo on neutraloitu emäksiseksi formiaatiksi, monet mikro-organismit sietävät sitä korkeina pitoisuuksina.
”Muurahaishappo on erittäin lupaava hiilen lähde”, korostaa tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Maren Nattermann. ”Mutta sen muuntaminen formaldehydiksi in vitro on erittäin energiaintensiivistä.” Tämä johtuu siitä, että formiaatti, formiaatin suola, ei muutu helposti formaldehydiksi. ”Näiden kahden molekyylin välillä on vakava kemiallinen este, ja ennen kuin voimme suorittaa todellisen reaktion, meidän on voitettava se biokemiallisen energian – ATP:n – avulla.”
Tutkijoiden tavoitteena oli löytää taloudellisempi tapa. Loppujen lopuksi mitä vähemmän energiaa tarvitaan hiilen syöttämiseen aineenvaihduntaan, sitä enemmän energiaa voidaan käyttää kasvun tai tuotannon stimulointiin. Mutta luonnossa ei ole tällaista tapaa. ”Niin sanottujen hybridientsyymien löytäminen, joilla on useita toimintoja, vaati jonkin verran luovuutta”, Tobias Erb sanoo. ”Entsyymiehdokkaiden löytäminen on kuitenkin vasta alkua. Puhumme reaktioista, jotka voidaan laskea yhteen, koska ne ovat hyvin hitaita – joissakin tapauksissa reaktioita on alle yksi sekunnissa entsyymiä kohden. Luonnolliset reaktiot voivat edetä tuhat kertaa nopeammin.” Tässä kohtaa synteettinen biokemia astuu kuvaan, sanoo Maren Nattermann: ”Jos tiedät entsyymin rakenteen ja mekanismin, tiedät, missä puuttua asiaan. Siitä on ollut suurta hyötyä.”
Entsyymien optimointiin kuuluu useita lähestymistapoja: erikoistunut rakennuspalikoiden vaihto, satunnaisten mutaatioiden luominen ja kapasiteetin valinta. ”Sekä formiaatti että formaldehydi sopivat erittäin hyvin, koska ne voivat tunkeutua soluseiniin. Voimme lisätä formiaattia soluviljelyalustaan, mikä tuottaa entsyymin, joka muuttaa syntyneen formaldehydin myrkyttömäksi keltaiseksi väriaineeksi muutaman tunnin kuluttua”, Maren sanoi. Nattermann selitti.
Tuloksia näin lyhyessä ajassa ei olisi saatu ilman tehokkaita menetelmiä. Tätä varten tutkijat tekivät yhteistyötä teollisuuskumppanimme Feston kanssa Esslingenissä, Saksassa. ”Noin 4 000 variaation jälkeen nelinkertaistimme saantomme”, sanoo Maren Nattermann. ”Näin olemme luoneet pohjan bioteknologian mikrobisen työjuhtan, mallimikrobin E. colin, kasvulle muurahaishapolla. Tällä hetkellä solumme voivat kuitenkin tuottaa vain formaldehydiä eivätkä voi muuttua enempää.”
Yhteistyössä yhteistyökumppaninsa Sebastian Winkin kanssa Kasvimolekyylifysiologian instituutista Max Planckin tutkijat kehittävät parhaillaan kantaa, joka voi ottaa vastaan ​​välituotteita ja viedä niitä keskushermoston aineenvaihduntaan. Samaan aikaan tiimi tekee tutkimusta hiilidioksidin sähkökemiallisesta muuntamisesta muurahaishapoksi yhdessä työryhmän kanssa Kemiallisen energianmuunnoksen instituutissa. Max Planck Walter Leitnerin johdolla. Pitkän aikavälin tavoitteena on "yhden koon alusta" sähköbiokemiallisilla prosesseilla tuotetusta hiilidioksidista tuotteisiin, kuten insuliiniin tai biodieseliin.
Lähde: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu ”Uuden kaskadin kehittäminen fosfaattiriippuvaisen formiaatin muuntamiseksi formaldehydiksi in vitro ja in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez ja Tobias J. Erb, 9. toukokuuta 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Parhaiden teknologia-uutisten koti vuodesta 1998. Pysy ajan tasalla uusimmista teknologia-uutisista sähköpostitse tai sosiaalisen median kautta. > Sähköpostikooste ilmaisella tilauksella
Cold Spring Harbor Laboratoriesin tutkijat havaitsivat, että SRSF1, RNA:n silmukointia säätelevä proteiini, on ilmentynyt enemmän haimassa.