Formato povas esti vidata kiel la spino de karbon-neŭtrala bioekonomio, produktita el CO2 uzante (elektro)kemiajn metodojn kaj konvertita al valor-aldonitaj produktoj uzante enzimajn kaskadojn aŭ inĝenieritajn mikroorganismojn. Grava paŝo en la vastigado de la asimilado de sinteza formiato estas ĝia termodinamike kompleksa redukto de formaldehido, kiu ĉi tie aperas kiel flava kolorŝanĝo. Kredito: Instituto de Surtera Mikrobiologio Max Planck/Geisel.
Sciencistoj ĉe la Max-Planck-Instituto kreis sintezan metabolan vojon, kiu konvertas karbondioksidon en formaldehidon per helpo de formika acido, ofertante karbon-neŭtralan manieron produkti valorajn materialojn.
Novaj anabolaj vojoj por fiksado de karbondioksido ne nur helpas redukti la nivelojn de karbondioksido en la atmosfero, sed ankaŭ povas anstataŭigi la tradician kemian produktadon de farmaciaĵoj kaj aktivaj ingrediencoj per karbon-neŭtralaj biologiaj procezoj. Nova esplorado montras procezon per kiu formika acido povas esti uzata por konverti karbondioksidon en materialon valoran por la biokemia industrio.
Konsiderante la kreskon de forcejgasaj emisioj, karbona sekvestrado aŭ karbondioksida sekvestrado el grandaj emisiaj fontoj estas urĝa problemo. En la naturo, la asimilado de karbondioksido okazas jam milionojn da jaroj, sed ĝia povo estas malproksima de sufiĉa por kompensi antropogenajn emisiojn.
Esploristoj gvidataj de Tobias Erb de la Instituto de Tera Mikrobiologio. Max Planck uzas naturajn ilojn por disvolvi novajn metodojn por fiksi karbondioksidon. Ili nun sukcesis disvolvi artefaritan metabolan vojon, kiu produktas tre reaktivan formaldehidon el formika acido, ebla peranto en artefarita fotosintezo. Formaldehido povas rekte eniri plurajn metabolajn vojojn por formi aliajn valorajn substancojn sen iuj toksaj efikoj. Kiel ĉe natura procezo, necesas du ĉefaj ingrediencoj: energio kaj karbono. La unua povas esti provizita ne nur per rekta sunlumo, sed ankaŭ per elektro - ekzemple, sunaj moduloj.
En la valoroĉeno, karbonaj fontoj estas variaj. Karbondioksido ne estas la sola eblo ĉi tie, ni parolas pri ĉiuj individuaj karbonaj kombinaĵoj (C1-konstrubriketoj): karbonmonooksido, formika acido, formaldehido, metanolo kaj metano. Tamen, preskaŭ ĉiuj ĉi tiuj substancoj estas tre toksaj, kaj por vivantaj organismoj (karbonmonooksido, formaldehido, metanolo) kaj por la planedo (metano kiel forceja gaso). Nur post kiam formika acido estas neŭtraligita al sia baza formiato, multaj mikroorganismoj toleras altajn koncentriĝojn de ĝi.
“Formika acido estas tre promesplena fonto de karbono,” emfazas Maren Nattermann, unua aŭtoro de la studo. “Sed konverti ĝin al formaldehido in vitro estas tre energie intensa.” Tio estas ĉar formiato, la salo de formiato, ne facile konvertiĝas al formaldehido. “Ekzistas grava kemia baro inter ĉi tiuj du molekuloj, kaj antaŭ ol ni povas efektivigi veran reakcion, ni devas superi ĝin per helpo de biokemia energio – ATP.”
La celo de la esploristoj estis trovi pli ekonomian manieron. Fine, ju malpli da energio necesas por provizi karbonon en la metabolon, des pli da energio povas esti uzata por stimuli kreskon aŭ produktadon. Sed tia maniero ne ekzistas en la naturo. "La malkovro de tiel nomataj hibridaj enzimoj kun pluraj funkcioj postulis iom da kreemo," diras Tobias Erb. "Tamen, la malkovro de kandidataj enzimoj estas nur la komenco. Ni parolas pri reakcioj, kiujn oni povas kalkuli kune ĉar ili estas tre malrapidaj - en iuj kazoj, estas malpli ol unu reakcio po sekundo por enzimo. Naturaj reakcioj povas okazi je rapideco mil fojojn pli rapida." Jen kie sinteza biokemio eniras, diras Maren Nattermann: "Se vi konas la strukturon kaj mekanismon de enzimo, vi scias kie interveni. Ĝi estis tre utila."
Enzima optimumigo implikas plurajn alirojn: specialigitan interŝanĝon de konstrubriketoj, hazardan mutacian generadon, kaj kapacitan elekton. "Kaj formiato kaj formaldehido estas tre taŭgaj ĉar ili povas penetri ĉelajn murojn. Ni povas aldoni formiaton al la ĉelkulturmedio, kiu produktas enzimon kiu transformas la rezultan formaldehidon en netoksan flavan tinkturfarbon post kelkaj horoj," diris Maren. Nattermann klarigis.
Rezultoj en tia mallonga tempodaŭro ne estus eblaj sen la uzo de alt-produktemaj metodoj. Por fari tion, la esploristoj kunlaboris kun la industria partnero Festo en Esslingen, Germanio. "Post ĉirkaŭ 4 000 varioj, ni kvarobligis nian rendimenton," diras Maren Nattermann. "Tiel, ni kreis la bazon por la kresko de la modela mikroorganismo E. coli, la mikroba laborĉevalo de bioteknologio, sur formika acido. Tamen, nuntempe, niaj ĉeloj povas produkti nur formaldehidon kaj ne povas plu transformiĝi."
En kunlaboro kun lia kunlaboranto Sebastian Wink de la Instituto de Planta Molekula Fiziologio, esploristoj de Max Planck nuntempe evoluigas trostreĉon, kiu povas preni intermediatojn kaj enkonduki ilin en la centran metabolon. Samtempe, la teamo faras esploradon pri la elektrokemia konverto de karbondioksido al formika acido kun laborgrupo ĉe la Instituto de Kemia Energikonverto de Max Planck sub la direkto de Walter Leitner. La longperspektiva celo estas "unu-grandeco-taŭgas-ĉiujn platformo" de karbondioksido produktita per elektrobiokemiaj procezoj ĝis produktoj kiel insulino aŭ biodizeloleo.
Referenco: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Evoluigo de nova kaskado por la konverto de fosfat-dependa formiato al formaldehido in vitro kaj in vivo”, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, kaj Tobias J. Erb, 9-a de majo 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Hejmo de la plej bonaj teknologiaj novaĵoj ekde 1998. Restu ĝisdata pri la plej novaj teknologiaj novaĵoj per retpoŝto aŭ sociaj retoj. > Retpoŝta resumo kun senpaga abono
Esploristoj ĉe Cold Spring Harbor Laboratories trovis, ke SRSF1, proteino kiu reguligas splisadon de RNA, estas suprenreguligita en la pankreato.