Formiātu var uzskatīt par oglekļa neitrālas bioekonomikas mugurkaulu, kas tiek ražots no CO2, izmantojot (elektro)ķīmiskās metodes, un pārveidots par pievienotās vērtības produktiem, izmantojot fermentatīvas kaskādes vai inženierijas ceļā iegūtus mikroorganismus. Svarīgs solis sintētiskā formiāta asimilācijas paplašināšanā ir tā termodinamiski sarežģītā formaldehīda reducēšana, kas šeit parādās kā dzeltena krāsas maiņa. Attēla autors: Sauszemes mikrobioloģijas institūts, Makss Planks/Geizels.
Maksa Planka institūta zinātnieki ir izveidojuši sintētisku metabolisma ceļu, kas ar skudrskābes palīdzību pārvērš oglekļa dioksīdu formaldehīdā, piedāvājot oglekļa neitrālu veidu vērtīgu materiālu ražošanai.
Jauni anaboliskie ceļi oglekļa dioksīda piesaistei ne tikai palīdz samazināt oglekļa dioksīda līmeni atmosfērā, bet arī var aizstāt tradicionālo farmaceitisko līdzekļu un aktīvo vielu ķīmisko ražošanu ar oglekļa neitrāliem bioloģiskiem procesiem. Jauns pētījums demonstrē procesu, kurā skudrskābi var izmantot, lai oglekļa dioksīdu pārvērstu par bioķīmiskajai rūpniecībai vērtīgu materiālu.
Ņemot vērā siltumnīcefekta gāzu emisiju pieaugumu, oglekļa piesaiste jeb ogļskābās gāzes piesaiste no lieliem emisiju avotiem ir aktuāls jautājums. Dabā ogļskābās gāzes asimilācija notiek jau miljoniem gadu, taču tās jauda nebūt nav pietiekama, lai kompensētu antropogēnās emisijas.
Pētnieki Tobiasa Erba vadībā no Zemes mikrobioloģijas institūta. Makss Planks izmanto dabas instrumentus, lai izstrādātu jaunas metodes oglekļa dioksīda piesaistei. Tagad viņiem ir izdevies izstrādāt mākslīgu metabolisma ceļu, kas no skudrskābes, iespējams, mākslīgās fotosintēzes starpprodukta, rada ļoti reaģētspējīgu formaldehīdu. Formaldehīds var tieši iekļūt vairākos metabolisma ceļos, veidojot citas vērtīgas vielas bez jebkādas toksiskas iedarbības. Tāpat kā dabiskā procesā, ir nepieciešamas divas galvenās sastāvdaļas: enerģija un ogleklis. Pirmo var nodrošināt ne tikai tiešie saules stari, bet arī elektrība, piemēram, saules moduļi.
Vērtību ķēdē oglekļa avoti ir mainīgi. Oglekļa dioksīds šeit nav vienīgā iespēja, mēs runājam par visiem atsevišķajiem oglekļa savienojumiem (C1 struktūrelementiem): oglekļa monoksīdu, skudrskābi, formaldehīdu, metanolu un metānu. Tomēr gandrīz visas šīs vielas ir ļoti toksiskas gan dzīviem organismiem (oglekļa monoksīds, formaldehīds, metanols), gan planētai (metāns kā siltumnīcefekta gāze). Tikai pēc tam, kad skudrskābe ir neitralizēta līdz tās bāziskajam formiātam, daudzi mikroorganismi panes tās augstas koncentrācijas.
“Skudrskābe ir ļoti daudzsološs oglekļa avots,” uzsver pētījuma pirmā autore Marena Natermane. “Taču tās pārvēršana formaldehīdā in vitro ir ļoti energoietilpīga.” Tas ir tāpēc, ka formiāts, formiāta sāls, nav viegli pārveidojams par formaldehīdu. “Starp šīm divām molekulām pastāv nopietna ķīmiska barjera, un, pirms mēs varam veikt reālu reakciju, mums tā jāpārvar ar bioķīmiskās enerģijas – ATP – palīdzību.”
Pētnieku mērķis bija atrast ekonomiskāku veidu. Galu galā, jo mazāk enerģijas nepieciešams, lai ievadītu oglekli vielmaiņā, jo vairāk enerģijas var izmantot, lai stimulētu augšanu vai ražošanu. Taču dabā šāda veida nav. "Tā saukto hibrīdo enzīmu ar vairākām funkcijām atklāšana prasīja zināmu radošumu," saka Tobiass Erbs. "Tomēr kandidātu enzīmu atklāšana ir tikai sākums. Mēs runājam par reakcijām, kuras var uzskatīt par vienām, jo ​​tās ir ļoti lēnas — dažos gadījumos uz vienu enzīmu notiek mazāk nekā viena reakcija sekundē. Dabiskās reakcijas var noritēt ar ātrumu, kas ir tūkstoš reižu ātrāks." Šeit noder sintētiskā bioķīmija, saka Marena Natermane: "Ja jūs zināt enzīma struktūru un mehānismu, jūs zināt, kur iejaukties. Tas ir bijis ļoti noderīgi."
Enzīmu optimizācija ietver vairākas pieejas: specializētu struktūras bloku apmaiņu, nejaušu mutāciju ģenerēšanu un kapacitātes atlasi. "Gan formāts, gan formaldehīds ir ļoti piemēroti, jo tie var iekļūt šūnu sieniņās. Mēs varam pievienot formātu šūnu kultūras barotnei, kas rada fermentu, kas pēc dažām stundām pārvērš iegūto formaldehīdu netoksiskā dzeltenā krāsvielā," sacīja Marena. Nattermans paskaidroja.
Rezultāti tik īsā laika periodā nebūtu bijuši iespējami bez augstas caurlaidības metožu izmantošanas. Lai to panāktu, pētnieki sadarbojās ar rūpniecisko partneri Festo Eslingenā, Vācijā. "Pēc aptuveni 4000 variācijām mēs četrkāršojām savu ražu," saka Marena Natermane. "Tādējādi mēs esam radījuši pamatu modeļa mikroorganisma E. coli, biotehnoloģijas mikrobiālā darba zirga, augšanai uz skudrskābes. Tomēr šobrīd mūsu šūnas var ražot tikai formaldehīdu un nevar tālāk transformēties."
Sadarbībā ar savu līdzstrādnieku Sebastianu Vinku no Augu molekulārās fizioloģijas institūta, Maksa Planka pētnieki pašlaik izstrādā celmu, kas var uzņemt starpproduktus un ievadīt tos centrālajā metabolismā. Vienlaikus komanda veic pētījumus par oglekļa dioksīda elektroķīmisko pārvēršanu skudrskābē kopā ar darba grupu Ķīmiskās enerģijas konversijas institūtā, Maksa Planka vadībā Valtera Leitnera vadībā. Ilgtermiņa mērķis ir “viena izmēra platforma” no oglekļa dioksīda, kas iegūts elektrobioķīmiskos procesos, līdz tādiem produktiem kā insulīns vai biodīzeļdegviela.
Atsauce: Marena Natermane, Sebastians Venks, Paskāls Pfisters, Hai He, Seungs Hvangs Lī, Vitolds Šimanskis, Nilss Guntermans, Faijings Džu “Jaunas kaskādes izstrāde fosfātu atkarīgā formāta pārveidošanai par formaldehīdu in vitro un in vivo”, Lennarts Nikels, Šarlote Valnere, Jans Zaržickis, Nikola Pačia, Nina Gaiserta, Džankarlo Francio, Valters Leitners, Ramons Gonsaless un Tobiass Dž. Erbs, 2023. gada 9. maijs, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Labāko tehnoloģiju ziņu mājaslapa kopš 1998. gada. Esiet lietas kursā par jaunākajām tehnoloģiju ziņām, izmantojot e-pastu vai sociālos tīklus. > E-pasta īssavilkums ar bezmaksas abonementu
Cold Spring Harbor Laboratories pētnieki atklāja, ka SRSF1, proteīns, kas regulē RNS splaisēšanu, ir paaugstināts aizkuņģa dziedzerī.