Форміат можна розглядати як основу вуглецево-нейтральної біоекономіки, що виробляється з CO2 за допомогою (електро)хімічних методів та перетворюється на продукти з доданою вартістю за допомогою ферментативних каскадів або штучно створених мікроорганізмів. Важливим кроком у розширенні асиміляції синтетичного форміату є його термодинамічно складне відновлення формальдегіду, яке тут проявляється як зміна жовтого кольору. Авторство: Інститут наземної мікробіології Макса Планка/Гейзеля.
Вчені з Інституту Макса Планка створили синтетичний метаболічний шлях, який перетворює вуглекислий газ на формальдегід за допомогою мурашиної кислоти, пропонуючи вуглецево-нейтральний спосіб виробництва цінних матеріалів.
Нові анаболічні шляхи фіксації вуглекислого газу не лише допомагають знизити рівень вуглекислого газу в атмосфері, але й можуть замінити традиційне хімічне виробництво фармацевтичних препаратів та активних інгредієнтів вуглецево-нейтральними біологічними процесами. Нове дослідження демонструє процес, за допомогою якого мурашина кислота може бути використана для перетворення вуглекислого газу на матеріал, цінний для біохімічної промисловості.
З огляду на зростання викидів парникових газів, секвестрація вуглецю або секвестрація вуглекислого газу з великих джерел викидів є актуальною проблемою. У природі асиміляція вуглекислого газу відбувається вже мільйони років, але її потужності далеко не достатньо, щоб компенсувати антропогенні викиди.
Дослідники під керівництвом Тобіаса Ерба з Інституту наземної мікробіології ім. Макса Планка використовують природні засоби для розробки нових методів фіксації вуглекислого газу. Наразі їм вдалося розробити штучний метаболічний шлях, який виробляє високореактивний формальдегід з мурашиної кислоти, можливого проміжного продукту в штучному фотосинтезі. Формальдегід може безпосередньо вступати в кілька метаболічних шляхів, утворюючи інші цінні речовини без будь-яких токсичних ефектів. Як і в природному процесі, потрібні два основні інгредієнти: енергія та вуглець. Перший може бути забезпечений не лише прямим сонячним світлом, але й електроенергією – наприклад, сонячними модулями.
У ланцюжку створення вартості джерела вуглецю є змінними. Вуглекислий газ тут не єдиний варіант, ми говоримо про всі окремі вуглецеві сполуки (будівельні блоки C1): чадний газ, мурашина кислота, формальдегід, метанол і метан. Однак майже всі ці речовини є дуже токсичними як для живих організмів (чадний газ, формальдегід, метанол), так і для планети (метан як парниковий газ). Лише після нейтралізації мурашиної кислоти до її основного форміату багато мікроорганізмів переносять її високі концентрації.
«Мурашина кислота — дуже перспективне джерело вуглецю», — наголошує Марен Наттерманн, перший автор дослідження. «Але перетворення її на формальдегід in vitro є дуже енергоємним». Це пояснюється тим, що форміат, сіль форміату, нелегко перетворюється на формальдегід. «Між цими двома молекулами існує серйозний хімічний бар'єр, і перш ніж ми зможемо здійснити реальну реакцію, ми повинні подолати його за допомогою біохімічної енергії — АТФ».
Метою дослідників було знайти більш економічний спосіб. Зрештою, чим менше енергії потрібно для надходження вуглецю в метаболізм, тим більше енергії можна використовувати для стимуляції росту чи виробництва. Але в природі такого способу немає. «Відкриття так званих гібридних ферментів з кількома функціями вимагало певної креативності», — каже Тобіас Ерб. «Однак відкриття ферментів-кандидатів — це лише початок. Йдеться про реакції, які можна порахувати разом, оскільки вони дуже повільні — у деяких випадках на один фермент відбувається менше однієї реакції за секунду. Природні реакції можуть проходити зі швидкістю, яка в тисячу разів швидша». Саме тут і з'являється синтетична біохімія, каже Марен Наттерманн: «Якщо ви знаєте структуру та механізм ферменту, ви знаєте, де втрутитися. Це принесло велику користь».
Оптимізація ферментів включає кілька підходів: спеціалізований обмін будівельними блоками, генерацію випадкових мутацій та вибір ємності. «Як форміат, так і формальдегід дуже підходять, оскільки вони можуть проникати крізь клітинні стінки. Ми можемо додати форміат до середовища для культивування клітин, яке виробляє фермент, що перетворює отриманий формальдегід на нетоксичний жовтий барвник через кілька годин», – сказав Марен. Пояснив Наттерманн.
Результати за такий короткий проміжок часу були б неможливі без використання високопродуктивних методів. Для цього дослідники співпрацювали з промисловим партнером Festo в Есслінгені, Німеччина. «Після приблизно 4000 варіацій ми збільшили наш вихід у чотири рази», — каже Марен Наттерманн. «Таким чином, ми створили основу для вирощування модельного мікроорганізму E. coli, мікробної робочої конячки біотехнології, на мурашиній кислоті. Однак наразі наші клітини можуть виробляти лише формальдегід і не можуть здійснювати подальшу трансформацію».
У співпраці зі своїм колегою Себастьяном Вінком з Інституту молекулярної фізіології рослин дослідники Макса Планка зараз розробляють штам, який може поглинати проміжні продукти та вводити їх у центральний метаболізм. Водночас команда проводить дослідження електрохімічного перетворення вуглекислого газу на мурашину кислоту з робочою групою в Інституті хімічного перетворення енергії Макса Планка під керівництвом Вальтера Ляйтнера. Довгостроковою метою є створення «універсальної платформи» від вуглекислого газу, що виробляється електробіохімічними процесами, до таких продуктів, як інсулін або біодизель.
Посилання: Марен Наттерманн, Себастьян Венк, Паскаль Пфістер, Хай Хе, Син Хванг Лі, Вітольд Шиманскі, Нільс Гунтерманн, Файїн Чжу «Розробка нового каскаду для перетворення фосфат-залежного форміату на формальдегід in vitro та in vivo», Леннарт Нікель, Шарлотта Валльнер, Ян Заржицький, Ніколь Пачія, Ніна Гайзерт, Джанкарло Франчо, Вальтер Ляйтнер, Рамон Гонсалес та Тобіас Дж. Ерб, 9 травня 2023 р., Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Дім найкращих технологічних новин з 1998 року. Будьте в курсі останніх технологічних новин електронною поштою або в соціальних мережах. > Дайджест електронною поштою з безкоштовною підпискою
Дослідники з лабораторій Колд-Спрінг-Харбор виявили, що SRSF1, білок, який регулює сплайсинг РНК, регулюється в підшлунковій залозі підвищеним рівнем.