Formiatą galima laikyti anglies dioksido požiūriu neutralios bioekonomikos pagrindu, jis gaminamas iš CO2 naudojant (elektro)cheminius metodus ir paverčiamas pridėtinės vertės produktais naudojant fermentines kaskadas arba inžinerinius mikroorganizmus. Svarbus žingsnis plečiant sintetinio formiato įsisavinimą yra termodinamiškai sudėtingas formaldehido redukavimas, kuris čia pasireiškia kaip geltonos spalvos pokytis. Nuotrauka: Sausumos mikrobiologijos institutas Max Planck/Geisel.
Maxo Plancko instituto mokslininkai sukūrė sintetinį metabolizmo kelią, kuris skruzdžių rūgšties pagalba anglies dioksidą paverčia formaldehidu, taip pasiūlydamas anglies dioksido požiūriu neutralų būdą gauti vertingas medžiagas.
Nauji anaboliniai anglies dioksido fiksavimo būdai ne tik padeda sumažinti anglies dioksido kiekį atmosferoje, bet ir gali pakeisti tradicinę cheminę vaistų ir veikliųjų medžiagų gamybą anglies dioksido požiūriu neutraliais biologiniais procesais. Nauji tyrimai rodo procesą, kuriuo skruzdžių rūgštis gali būti naudojama anglies dioksidui paversti biochemijos pramonei vertinga medžiaga.
Atsižvelgiant į didėjantį šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą, anglies dioksido sekvestracija arba anglies dioksido kaupimas iš didelių emisijų šaltinių yra aktuali problema. Gamtoje anglies dioksido įsisavinimas vyksta jau milijonus metų, tačiau jo galios toli gražu nepakanka, kad kompensuotų antropogeninę emisiją.
Sausumos mikrobiologijos instituto Tobiaso Erbo vadovaujami Maxo Plancko mokslininkai naudoja natūralius įrankius kurdami naujus anglies dioksido fiksavimo metodus. Jiems pavyko sukurti dirbtinį metabolizmo kelią, kuris iš skruzdžių rūgšties, galimo tarpinio produkto dirbtinėje fotosintezėje, gamina labai reaktyvų formaldehidą. Formaldehidas gali tiesiogiai patekti į kelis metabolizmo kelius ir sudaryti kitas vertingas medžiagas be jokio toksinio poveikio. Kaip ir natūraliame procese, reikalingi du pagrindiniai ingredientai: energija ir anglis. Pirmąjį gali gauti ne tik tiesioginiai saulės spinduliai, bet ir elektra, pavyzdžiui, saulės moduliai.
Vertės grandinėje anglies šaltiniai yra įvairūs. Anglies dioksidas čia nėra vienintelė išeitis, kalbame apie visus atskirus anglies junginius (C1 struktūrinius blokus): anglies monoksidą, skruzdžių rūgštį, formaldehidą, metanolį ir metaną. Tačiau beveik visos šios medžiagos yra labai toksiškos tiek gyviesiems organizmams (anglies monoksidas, formaldehidas, metanolis), tiek planetai (metanas kaip šiltnamio efektą sukeliančios dujos). Tik po to, kai skruzdžių rūgštis neutralizuojama iki bazinio formiato, daugelis mikroorganizmų toleruoja dideles jos koncentracijas.
„Skruzdžių rūgštis yra labai perspektyvus anglies šaltinis“, – pabrėžia pirmoji tyrimo autorė Maren Nattermann. „Tačiau jos pavertimas formaldehidu in vitro reikalauja daug energijos.“ Taip yra todėl, kad formiatas, formiato druska, nėra lengvai paverčiamas formaldehidu. „Tarp šių dviejų molekulių yra rimtas cheminis barjeras, ir prieš pradėdami tikrą reakciją, turime jį įveikti biocheminės energijos – ATP – pagalba.“
Tyrėjų tikslas buvo rasti ekonomiškesnį būdą. Juk kuo mažiau energijos reikia anglims tiekti į medžiagų apykaitą, tuo daugiau energijos galima panaudoti augimui ar gamybai skatinti. Tačiau gamtoje tokio būdo nėra. „Vadinamųjų hibridinių fermentų, turinčių daug funkcijų, atradimas pareikalavo šiek tiek kūrybiškumo“, – sako Tobias Erb. „Tačiau kandidatų į fermentus atradimas yra tik pradžia. Kalbame apie reakcijas, kurias galima skaičiuoti kartu, nes jos yra labai lėtos – kai kuriais atvejais vienas fermentas vykdo mažiau nei vieną reakciją per sekundę. Natūralios reakcijos gali vykti tūkstantį kartų greičiau.“ Čia ir praverčia sintetinė biochemija, sako Maren Nattermann: „Jei žinote fermento struktūrą ir mechanizmą, žinote, kur įsikišti. Tai buvo labai naudinga.“
Fermentų optimizavimas apima kelis metodus: specializuotą struktūrinių blokų keitimą, atsitiktinių mutacijų generavimą ir talpos parinkimą. „Tiek formiatas, tiek formaldehidas yra labai tinkami, nes jie gali prasiskverbti pro ląstelių sieneles. Galime į ląstelių kultūros terpę įdėti formiato, kuris gamina fermentą, kuris po kelių valandų susidariusį formaldehidą paverčia netoksiškais geltonais dažais“, – sakė Maren. Paaiškino Nattermann.
Per tokį trumpą laiką rezultatai nebūtų buvę įmanomi be didelio našumo metodų naudojimo. Norėdami tai padaryti, tyrėjai bendradarbiavo su pramonės partneriu „Festo“ Eslingene, Vokietijoje. „Po maždaug 4000 variantų mes padidinome savo išeigą keturis kartus“, – sako Maren Nattermann. „Taigi, sukūrėme pagrindą modelinio mikroorganizmo E. coli, biotechnologijos mikrobinio darbo arklio, augimui skruzdžių rūgštyje. Tačiau šiuo metu mūsų ląstelės gali gaminti tik formaldehidą ir negali toliau transformuotis.“
Bendradarbiaudami su savo bendradarbiu Sebastianu Winku iš Augalų molekulinės fiziologijos instituto, Maxo Plancko universiteto mokslininkai šiuo metu kuria padermę, kuri gali pasisavinti tarpinius produktus ir įtraukti juos į centrinę medžiagų apykaitą. Tuo pačiu metu komanda atlieka anglies dioksido elektrocheminės konversijos į skruzdžių rūgštį tyrimus su darbo grupe Cheminės energijos konversijos institute, vadovaujant Walteriui Leitneriui. Ilgalaikis tikslas – sukurti „vienodo dydžio platformą“ nuo elektrobiocheminių procesų metu gaunamo anglies dioksido iki tokių produktų kaip insulinas ar biodyzelinas.
Nuoroda: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu „Naujos kaskados, skirtos fosfatų priklausomo formiato pavertimui formaldehidu in vitro ir in vivo, kūrimas“, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez ir Tobias J. Erb, 2023 m. gegužės 9 d., „Nature Communications“. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
„SciTechDaily“: geriausių technologijų naujienų šaltinis nuo 1998 m. Gaukite naujausias technologijų naujienas el. paštu arba socialiniuose tinkluose. > El. pašto santraukos su nemokama prenumerata
„Cold Spring Harbor Laboratories“ tyrėjai nustatė, kad SRSF1, baltymas, reguliuojantis RNR splaisingą, yra padidintas kasoje.