Formiaat kan gesien word as die ruggraat van 'n koolstofneutrale bio-ekonomie, geproduseer uit CO2 deur middel van (elektro)chemiese metodes en omgeskakel na waardetoegevoegde produkte deur middel van ensiematiese kaskades of gemanipuleerde mikroörganismes. 'n Belangrike stap in die uitbreiding van die assimilasie van sintetiese formiaat is die termodinamies komplekse reduksie van formaldehied, wat hier as 'n geel kleurverandering voorkom. Krediet: Instituut vir Terrestriële Mikrobiologie Max Planck/Geisel.
Wetenskaplikes aan die Max Planck Instituut het 'n sintetiese metaboliese pad geskep wat koolstofdioksied met behulp van miersuur in formaldehied omskakel, wat 'n koolstofneutrale manier bied om waardevolle materiale te produseer.
Nuwe anaboliese weë vir koolstofdioksiedbinding help nie net om koolstofdioksiedvlakke in die atmosfeer te verminder nie, maar kan ook die tradisionele chemiese produksie van farmaseutiese produkte en aktiewe bestanddele vervang met koolstofneutrale biologiese prosesse. Nuwe navorsing demonstreer 'n proses waardeur mieresuur gebruik kan word om koolstofdioksied in 'n materiaal te omskep wat waardevol is vir die biochemiese industrie.
Gegewe die toename in kweekhuisgasvrystellings, is koolstofsekwestrasie of koolstofdioksiedsekwestrasie uit groot emissiebronne 'n dringende kwessie. In die natuur is die assimilasie van koolstofdioksied al miljoene jare aan die gang, maar die krag daarvan is verreweg nie voldoende om te vergoed vir antropogeniese emissies nie.
Navorsers onder leiding van Tobias Erb van die Instituut vir Terrestriële Mikrobiologie. Max Planck gebruik natuurlike gereedskap om nuwe metodes te ontwikkel vir die vaslegging van koolstofdioksied. Hulle het nou daarin geslaag om 'n kunsmatige metaboliese pad te ontwikkel wat hoogs reaktiewe formaldehied uit mieresuur produseer, 'n moontlike tussenproduk in kunsmatige fotosintese. Formaldehied kan direk in verskeie metaboliese bane ingaan om ander waardevolle stowwe te vorm sonder enige toksiese effekte. Soos met 'n natuurlike proses, word twee hoofbestanddele benodig: energie en koolstof. Die eerste kan nie net deur direkte sonlig verskaf word nie, maar ook deur elektrisiteit – byvoorbeeld sonkragmodules.
In die waardeketting is koolstofbronne veranderlik. Koolstofdioksied is nie die enigste opsie hier nie, ons praat van al die individuele koolstofverbindings (C1-boustene): koolstofmonoksied, miersuur, formaldehied, metanol en metaan. Byna al hierdie stowwe is egter hoogs giftig, beide vir lewende organismes (koolstofmonoksied, formaldehied, metanol) en vir die planeet (metaan as 'n kweekhuisgas). Dit is eers nadat miersuur tot sy basiese formiaat geneutraliseer is dat baie mikroörganismes hoë konsentrasies daarvan verdra.
“Mieresuur is 'n baie belowende bron van koolstof,” beklemtoon Maren Nattermann, eerste outeur van die studie. “Maar om dit in vitro na formaldehied om te skakel, is baie energie-intensief.” Dit is omdat formiaat, die sout van formaldehied, nie maklik na formaldehied omgeskakel word nie. “Daar is 'n ernstige chemiese versperring tussen hierdie twee molekules, en voordat ons 'n werklike reaksie kan uitvoer, moet ons dit oorkom met behulp van biochemiese energie – ATP.”
Die doel van die navorsers was om 'n meer ekonomiese manier te vind. Hoe minder energie benodig word om koolstof in metabolisme te voed, hoe meer energie kan immers gebruik word om groei of produksie te stimuleer. Maar daar is nie so 'n manier in die natuur nie. “Die ontdekking van sogenaamde hibriede ensieme met veelvuldige funksies het 'n mate van kreatiwiteit vereis,” sê Tobias Erb. “Die ontdekking van kandidaat-ensieme is egter net die begin. Ons praat van reaksies wat saam getel kan word omdat hulle baie stadig is – in sommige gevalle is daar minder as een reaksie per sekonde per ensiem. Natuurlike reaksies kan teen 'n tempo van duisend keer vinniger verloop.” Dit is waar sintetiese biochemie ter sprake kom, sê Maren Nattermann: “As jy die struktuur en meganisme van 'n ensiem ken, weet jy waar om in te gryp. Dit was van groot voordeel.”
Ensiemoptimering behels verskeie benaderings: gespesialiseerde boublokuitruiling, ewekansige mutasiegenerering en kapasiteitseleksie. “Beide formiaat en formaldehied is baie geskik omdat hulle selwande kan binnedring. Ons kan formiaat by die selkultuurmedium voeg, wat 'n ensiem produseer wat die gevolglike formaldehied na 'n paar uur in 'n nie-giftige geel kleurstof omskep,” het Maren gesê. Nattermann het verduidelik.
Resultate in so 'n kort tydperk sou nie moontlik gewees het sonder die gebruik van hoë-deursetmetodes nie. Om dit te doen, het die navorsers saamgewerk met industriële vennoot Festo in Esslingen, Duitsland. “Na ongeveer 4 000 variasies het ons ons opbrengs vervierdubbel,” sê Maren Nattermann. “So het ons die basis geskep vir die groei van die modelmikroörganisme E. coli, die mikrobiese werkesel van biotegnologie, op mieresuur. Op die oomblik kan ons selle egter slegs formaldehied produseer en kan nie verder transformeer nie.”
In samewerking met sy medewerker Sebastian Wink van die Instituut vir Plantmolekulêre Fisiologie, ontwikkel Max Planck-navorsers tans 'n stam wat tussenprodukte kan opneem en in die sentrale metabolisme kan invoer. Terselfdertyd doen die span navorsing oor die elektrochemiese omskakeling van koolstofdioksied na mieresuur met 'n werkgroep by die Instituut vir Chemiese Energie-omskakeling. Max Planck onder leiding van Walter Leitner. Die langtermyndoelwit is 'n "een-grootte-pas-almal-platform" van koolstofdioksied wat deur elektrobiochemiese prosesse geproduseer word tot produkte soos insulien of biodiesel.
Verwysing: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Ontwikkeling van 'n nuwe kaskade vir die omskakeling van fosfaatafhanklike formate na formaldehied in vitro en in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, en Tobias J. Erb, 9 Mei 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Die tuiste van die beste tegnologienuus sedert 1998. Bly op hoogte van die nuutste tegnologienuus via e-pos of sosiale media. > E-posversameling met gratis intekening
Navorsers by Cold Spring Harbor Laboratories het bevind dat SRSF1, 'n proteïen wat RNA-splitsing reguleer, in die pankreas opgereguleer word.