Formiat kan ses som ryggraden i en koldioxidneutral bioekonomi, producerad från koldioxid med hjälp av (elektro)kemiska metoder och omvandlad till förädlade produkter med hjälp av enzymatiska kaskader eller modifierade mikroorganismer. Ett viktigt steg i att utöka assimileringen av syntetiskt formiat är dess termodynamiskt komplexa reduktion av formaldehyd, vilket här framträder som en gul färgförändring. Bildkälla: Institute of Terrestrial Microbiology Max Planck/Geisel.
Forskare vid Max Planck-institutet har skapat en syntetisk metabolisk väg som omvandlar koldioxid till formaldehyd med hjälp av myrsyra, vilket erbjuder ett koldioxidneutralt sätt att producera värdefulla material.
Nya anabola vägar för koldioxidbindning bidrar inte bara till att minska koldioxidhalterna i atmosfären, utan kan också ersätta den traditionella kemiska produktionen av läkemedel och aktiva ingredienser med koldioxidneutrala biologiska processer. Ny forskning visar en process genom vilken myrsyra kan användas för att omvandla koldioxid till ett material som är värdefullt för den biokemiska industrin.
Med tanke på ökningen av utsläpp av växthusgaser är koldioxidlagring eller koldioxidlagring från stora utsläppskällor en angelägen fråga. I naturen har assimileringen av koldioxid pågått i miljontals år, men dess kraft är långt ifrån tillräcklig för att kompensera för antropogena utsläpp.
Forskare under ledning av Tobias Erb vid Institutet för terrestrial mikrobiologi. Max Planck använder naturliga verktyg för att utveckla nya metoder för att binda koldioxid. De har nu lyckats utveckla en artificiell metabolisk väg som producerar högreaktiv formaldehyd från myrsyra, en möjlig intermediär i artificiell fotosyntes. Formaldehyd kan direkt ingå i flera metaboliska vägar för att bilda andra värdefulla ämnen utan några toxiska effekter. Precis som med en naturlig process krävs två huvudingredienser: energi och kol. Den första kan tillhandahållas inte bara av direkt solljus, utan även av elektricitet – till exempel solpaneler.
I värdekedjan är kolkällorna varierande. Koldioxid är inte det enda alternativet här, vi talar om alla individuella kolföreningar (C1-byggstenar): kolmonoxid, myrsyra, formaldehyd, metanol och metan. Nästan alla dessa ämnen är dock mycket giftiga, både för levande organismer (kolmonoxid, formaldehyd, metanol) och för planeten (metan som växthusgas). Det är först efter att myrsyra har neutraliserats till sitt basiska formiat som många mikroorganismer tolererar höga koncentrationer av den.
”Myrsyra är en mycket lovande kolkälla”, betonar Maren Nattermann, studiens förstaförfattare. ”Men att omvandla den till formaldehyd in vitro är mycket energikrävande.” Detta beror på att formiat, saltet av formiat, inte lätt omvandlas till formaldehyd. ”Det finns en allvarlig kemisk barriär mellan dessa två molekyler, och innan vi kan genomföra en riktig reaktion måste vi övervinna den med hjälp av biokemisk energi – ATP.”
Forskarnas mål var att hitta ett mer ekonomiskt sätt. Ju mindre energi som krävs för att mata in kol i ämnesomsättningen, desto mer energi kan användas för att stimulera tillväxt eller produktion. Men det finns inget sådant sätt i naturen. ”Upptäckten av så kallade hybridenzymer med flera funktioner krävde en del kreativitet”, säger Tobias Erb. ”Upptäckten av kandidatenzymer är dock bara början. Vi pratar om reaktioner som kan räknas ihop eftersom de är mycket långsamma – i vissa fall sker det mindre än en reaktion per sekund per enzym. Naturliga reaktioner kan fortskrida med en hastighet som är tusen gånger snabbare.” Det är här syntetisk biokemi kommer in i bilden, säger Maren Nattermann: ”Om du känner till ett enzyms struktur och mekanism vet du var du ska ingripa. Det har varit till stor nytta.”
Enzymoptimering involverar flera metoder: specialiserat utbyte av byggstenar, slumpmässig mutationsgenerering och kapacitetsval. ”Både formiat och formaldehyd är mycket lämpliga eftersom de kan penetrera cellväggar. Vi kan tillsätta formiat till cellodlingsmediet, vilket producerar ett enzym som omvandlar den resulterande formaldehyden till ett giftfritt gult färgämne efter några timmar”, sa Maren. Nattermann förklarade.
Resultat på så kort tid hade inte varit möjliga utan användning av högkapacitetsmetoder. För att göra detta samarbetade forskarna med industripartnern Festo i Esslingen, Tyskland. ”Efter cirka 4 000 variationer fyrdubblade vi vår avkastning”, säger Maren Nattermann. ”Därmed har vi skapat grunden för tillväxten av modellmikroorganismen E. coli, bioteknikens mikrobiella arbetshäst, på myrsyra. Men för närvarande kan våra celler bara producera formaldehyd och kan inte omvandlas ytterligare.”
I samarbete med sin samarbetspartner Sebastian Wink från Institutet för växtmolekylärfysiologi utvecklar Max Planck-forskare för närvarande en stam som kan ta upp intermediärer och introducera dem i den centrala metabolismen. Samtidigt forskar teamet om elektrokemisk omvandling av koldioxid till myrsyra med en arbetsgrupp vid Institutet för kemisk energiomvandling, Max Planck, under ledning av Walter Leitner. Det långsiktiga målet är en "one-size-fits-all"-plattform, från koldioxid producerad genom elektrobiokemiska processer till produkter som insulin eller biodiesel.
Referens: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu ”Utveckling av en ny kaskad för omvandling av fosfatberoende formiat till formaldehyd in vitro och in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez och Tobias J. Erb, 9 maj 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Hem för de bästa tekniknyheterna sedan 1998. Håll dig uppdaterad med de senaste tekniknyheterna via e-post eller sociala medier. > E-postsammanfattning med gratis prenumeration
Forskare vid Cold Spring Harbor Laboratories fann att SRSF1, ett protein som reglerar RNA-splitsning, är uppreglerat i bukspottkörteln.