Formiat kan sees på som ryggraden i en karbonnøytral bioøkonomi, produsert fra CO2 ved hjelp av (elektro)kjemiske metoder og omdannet til verdiskapende produkter ved hjelp av enzymatiske kaskader eller konstruerte mikroorganismer. Et viktig skritt i å utvide assimileringen av syntetisk formiat er dens termodynamisk komplekse reduksjon av formaldehyd, som her fremstår som en gul fargeendring. Kilde: Institute of Terrestrial Microbiology Max Planck/Geisel.
Forskere ved Max Planck-instituttet har laget en syntetisk metabolsk vei som omdanner karbondioksid til formaldehyd ved hjelp av maursyre, og tilbyr en karbonnøytral måte å produsere verdifulle materialer på.
Nye anabole veier for karbondioksidbinding bidrar ikke bare til å redusere karbondioksidnivåene i atmosfæren, men kan også erstatte den tradisjonelle kjemiske produksjonen av legemidler og aktive ingredienser med karbonnøytrale biologiske prosesser. Ny forskning viser en prosess der maursyre kan brukes til å omdanne karbondioksid til et materiale som er verdifullt for den biokjemiske industrien.
Gitt økningen i klimagassutslipp er karbonbinding eller karbondioksidbinding fra store utslippskilder et presserende problem. I naturen har assimilering av karbondioksid pågått i millioner av år, men kraften er langt fra tilstrekkelig til å kompensere for menneskeskapte utslipp.
Forskere ledet av Tobias Erb fra Institute of Terrestrial Microbiology. Max Planck bruker naturlige verktøy for å utvikle nye metoder for å fiksere karbondioksid. De har nå lykkes med å utvikle en kunstig metabolsk vei som produserer svært reaktiv formaldehyd fra maursyre, et mulig mellomprodukt i kunstig fotosyntese. Formaldehyd kan gå direkte inn i flere metabolske veier for å danne andre verdifulle stoffer uten noen giftige effekter. Som med en naturlig prosess kreves to hovedingredienser: energi og karbon. Den første kan tilføres ikke bare av direkte sollys, men også av elektrisitet – for eksempel solcellemoduler.
I verdikjeden er karbonkildene variable. Karbondioksid er ikke det eneste alternativet her, vi snakker om alle de individuelle karbonforbindelsene (C1-byggesteinene): karbonmonoksid, maursyre, formaldehyd, metanol og metan. Imidlertid er nesten alle disse stoffene svært giftige, både for levende organismer (karbonmonoksid, formaldehyd, metanol) og for planeten (metan som klimagass). Det er først etter at maursyre er blitt nøytralisert til sitt basiske formiat at mange mikroorganismer tolererer høye konsentrasjoner av det.
«Maursyre er en svært lovende kilde til karbon», understreker Maren Nattermann, førsteforfatter av studien. «Men å omdanne den til formaldehyd in vitro er svært energikrevende.» Dette er fordi formiat, saltet av formiat, ikke lett omdannes til formaldehyd. «Det er en alvorlig kjemisk barriere mellom disse to molekylene, og før vi kan utføre en reell reaksjon, må vi overvinne den ved hjelp av biokjemisk energi – ATP.»
Forskernes mål var å finne en mer økonomisk måte. Tross alt, jo mindre energi som kreves for å mate karbon inn i metabolismen, desto mer energi kan brukes til å stimulere vekst eller produksjon. Men det finnes ingen slik måte i naturen. «Oppdagelsen av såkalte hybridenzymer med flere funksjoner krevde litt kreativitet», sier Tobias Erb. «Oppdagelsen av kandidatenzymer er imidlertid bare begynnelsen. Vi snakker om reaksjoner som kan telles sammen fordi de er veldig langsomme – i noen tilfeller er det mindre enn én reaksjon per sekund per enzym. Naturlige reaksjoner kan forløpe med en hastighet som er tusen ganger raskere.» Det er her syntetisk biokjemi kommer inn i bildet, sier Maren Nattermann: «Hvis du kjenner strukturen og mekanismen til et enzym, vet du hvor du skal gripe inn. Det har vært til stor nytte.»
Enzymoptimalisering involverer flere tilnærminger: spesialisert utveksling av byggesteiner, generering av tilfeldige mutasjoner og kapasitetsvalg. «Både formiat og formaldehyd er svært egnet fordi de kan trenge inn i cellevegger. Vi kan tilsette formiat til cellekulturmediet, som produserer et enzym som omdanner det resulterende formaldehydet til et giftfritt gult fargestoff etter noen timer», sa Maren. Nattermann forklarte.
Resultater på så kort tid ville ikke vært mulig uten bruk av høykapasitetsmetoder. For å gjøre dette samarbeidet forskerne med industripartneren Festo i Esslingen, Tyskland. «Etter omtrent 4000 variasjoner firedoblet vi utbyttet vårt», sier Maren Nattermann. «Dermed har vi skapt grunnlaget for veksten av modellmikroorganismen E. coli, bioteknologiens mikrobielle arbeidshest, på maursyre. For øyeblikket kan imidlertid cellene våre bare produsere formaldehyd og kan ikke transformeres ytterligere.»
I samarbeid med sin samarbeidspartner Sebastian Wink fra Institute of Plant Molecular Physiology utvikler Max Planck-forskere for tiden en stamme som kan ta opp mellomprodukter og introdusere dem i sentral metabolisme. Samtidig forsker teamet på elektrokjemisk omdannelse av karbondioksid til maursyre med en arbeidsgruppe ved Institute of Chemical Energy Conversion, Max Planck, under ledelse av Walter Leitner. Det langsiktige målet er en «one-size-fits-all»-plattform, fra karbondioksid produsert av elektrobiokjemiske prosesser til produkter som insulin eller biodiesel.
Referanse: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu «Utvikling av en ny kaskade for omdannelse av fosfatavhengig formiat til formaldehyd in vitro og in vivo», Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez og Tobias J. Erb, 9. mai 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Hjemmet til de beste teknologinyhetene siden 1998. Hold deg oppdatert med de siste teknologinyhetene via e-post eller sosiale medier. > E-postsammendrag med gratis abonnement
Forskere ved Cold Spring Harbor Laboratories fant at SRSF1, et protein som regulerer RNA-spleising, er oppregulert i bukspyttkjertelen.