Formiat poate fi considerat coloana vertebrală a unei bioeconomii neutre din punct de vedere al emisiilor de carbon, produs din CO2 folosind metode (electro)chimice și convertit în produse cu valoare adăugată folosind cascade enzimatice sau microorganisme modificate genetic. Un pas important în extinderea asimilării formiatului sintetic este reducerea complexă termodinamic a formaldehidei, care aici apare ca o schimbare de culoare galbenă. Credit: Institutul de Microbiologie Terestră Max Planck/Geisel.
Oamenii de știință de la Institutul Max Planck au creat o cale metabolică sintetică care transformă dioxidul de carbon în formaldehidă cu ajutorul acidului formic, oferind o modalitate neutră din punct de vedere al emisiilor de carbon de a produce materiale valoroase.
Noile căi anabolice pentru fixarea dioxidului de carbon nu numai că ajută la reducerea nivelului de dioxid de carbon din atmosferă, dar pot și înlocui producția chimică tradițională de produse farmaceutice și ingrediente active cu procese biologice neutre din punct de vedere al emisiilor de carbon. Noi cercetări demonstrează un proces prin care acidul formic poate fi utilizat pentru a converti dioxidul de carbon într-un material valoros pentru industria biochimică.
Având în vedere creșterea emisiilor de gaze cu efect de seră, sechestrarea carbonului sau sechestrarea dioxidului de carbon din sursele mari de emisii este o problemă stringentă. În natură, asimilarea dioxidului de carbon are loc de milioane de ani, dar puterea sa este departe de a fi suficientă pentru a compensa emisiile antropogene.
Cercetătorii conduși de Tobias Erb de la Institutul de Microbiologie Terestră Max Planck folosesc instrumente naturale pentru a dezvolta noi metode de fixare a dioxidului de carbon. Acum au reușit să dezvolte o cale metabolică artificială care produce formaldehidă extrem de reactivă din acidul formic, un posibil intermediar în fotosinteza artificială. Formaldehida poate intra direct în mai multe căi metabolice pentru a forma alte substanțe valoroase, fără efecte toxice. Ca și în cazul unui proces natural, sunt necesare două ingrediente principale: energie și carbon. Primul poate fi furnizat nu numai de lumina directă a soarelui, ci și de electricitate - de exemplu, modulele solare.
În lanțul valoric, sursele de carbon sunt variabile. Dioxidul de carbon nu este singura opțiune aici, vorbim despre toți compușii individuali ai carbonului (componentele C1): monoxid de carbon, acid formic, formaldehidă, metanol și metan. Cu toate acestea, aproape toate aceste substanțe sunt extrem de toxice, atât pentru organismele vii (monoxid de carbon, formaldehidă, metanol), cât și pentru planetă (metanul ca gaz cu efect de seră). Abia după ce acidul formic a fost neutralizat la formiatul său bazic, multe microorganisme tolerează concentrații mari ale acestuia.
„Acidul formic este o sursă foarte promițătoare de carbon”, subliniază Maren Nattermann, prima autoare a studiului. „Dar transformarea sa în formaldehidă in vitro necesită o energie foarte mare.” Acest lucru se datorează faptului că formiatul, sarea formiatului, nu se transformă ușor în formaldehidă. „Există o barieră chimică serioasă între aceste două molecule și, înainte de a putea efectua o reacție reală, trebuie să o depășim cu ajutorul energiei biochimice – ATP.”
Scopul cercetătorilor a fost să găsească o modalitate mai economică. La urma urmei, cu cât este necesară mai puțină energie pentru a introduce carbon în metabolism, cu atât mai multă energie poate fi utilizată pentru a stimula creșterea sau producția. Dar nu există o astfel de modalitate în natură. „Descoperirea așa-numitelor enzime hibride cu funcții multiple a necesitat puțină creativitate”, spune Tobias Erb. „Cu toate acestea, descoperirea enzimelor candidate este doar începutul. Vorbim despre reacții care pot fi numărate împreună, deoarece sunt foarte lente - în unele cazuri, există mai puțin de o reacție pe secundă per enzimă. Reacțiile naturale pot avea loc cu o viteză de o mie de ori mai rapidă.” Aici intervine biochimia sintetică, spune Maren Nattermann: „Dacă cunoști structura și mecanismul unei enzime, știi unde să intervii. A fost de mare folos.”
Optimizarea enzimelor implică mai multe abordări: schimbul specializat de componente, generarea de mutații aleatorii și selecția capacității. „Atât formiatul, cât și formaldehida sunt foarte potrivite deoarece pot penetra pereții celulari. Putem adăuga formiat în mediul de cultură celulară, ceea ce produce o enzimă ce transformă formaldehida rezultată într-un colorant galben netoxic după câteva ore”, a spus Maren. Nattermann a explicat.
Rezultate obținute într-o perioadă atât de scurtă de timp nu ar fi fost posibile fără utilizarea unor metode de randament ridicat. Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au colaborat cu partenerul industrial Festo din Esslingen, Germania. „După aproximativ 4.000 de variații, ne-am cvadruplat randamentul”, spune Maren Nattermann. „Astfel, am creat baza pentru creșterea microorganismului model E. coli, calul de muncă microbian al biotehnologiei, pe acid formic. Cu toate acestea, în prezent, celulele noastre pot produce doar formaldehidă și nu se pot transforma în continuare.”
În colaborare cu colaboratorul său Sebastian Wink de la Institutul de Fiziologie Moleculară a Plantelor, cercetătorii Max Planck dezvoltă în prezent o tulpină care poate prelua intermediari și îi poate introduce în metabolismul central. În același timp, echipa desfășoară cercetări privind conversia electrochimică a dioxidului de carbon în acid formic, cu un grup de lucru de la Institutul de Conversie a Energiei Chimice Max Planck, sub conducerea lui Walter Leitner. Obiectivul pe termen lung este o „platformă universală” de la dioxidul de carbon produs prin procese electrobiochimice la produse precum insulina sau biodieselul.
Referință: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu „Dezvoltarea unei noi cascade pentru conversia formiatului dependent de fosfat în formaldehidă in vitro și in vivo”, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez și Tobias J. Erb, 9 mai 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Acasă la cele mai bune știri din domeniul tehnologiei din 1998. Rămâneți la curent cu cele mai recente știri din domeniul tehnologiei prin e-mail sau pe rețelele sociale. > Rezumat prin e-mail cu abonament gratuit
Cercetătorii de la Cold Spring Harbor Laboratories au descoperit că SRSF1, o proteină care reglează splicing-ul ARN-ului, este suprareglată în pancreas.