A formiát a karbonsemleges biogazdaság gerincének tekinthető, amelyet CO2-ből állítanak elő (elektro)kémiai módszerekkel, és enzimatikus kaszkádok vagy mesterséges mikroorganizmusok segítségével hozzáadott értékű termékekké alakítanak. A szintetikus formiát asszimilációjának bővítésében fontos lépés a formaldehid termodinamikailag komplex redukciója, amely itt sárga színváltozásként jelenik meg. Fotó: Max Planck/Geisel Szárazföldi Mikrobiológiai Intézet.
A Max Planck Intézet tudósai egy szintetikus anyagcsere-útvonalat hoztak létre, amely hangyasav segítségével szén-dioxidot formaldehiddé alakít, így karbonsemleges módot kínálva értékes anyagok előállítására.
A szén-dioxid megkötésére szolgáló új anabolikus útvonalak nemcsak a légköri szén-dioxid szintjének csökkentésében segítenek, hanem a gyógyszerek és hatóanyagok hagyományos kémiai előállítását is szén-dioxid-semleges biológiai folyamatokkal helyettesíthetik. Új kutatások egy olyan eljárást mutatnak be, amellyel a hangyasav felhasználható a szén-dioxid biokémiai ipar számára értékes anyaggá alakítására.
Az üvegházhatású gázok kibocsátásának növekedése miatt a nagy kibocsátási forrásokból származó szén-dioxid-megkötés, vagyis a szén-dioxid-megkötés sürgető kérdés. A természetben a szén-dioxid asszimilációja már évmilliók óta zajlik, de ennek ereje messze nem elegendő az antropogén kibocsátások kompenzálására.
A Max Planck Földi Mikrobiológiai Intézetének Tobias Erb vezette kutatói természetes eszközöket használnak a szén-dioxid megkötésére szolgáló új módszerek kidolgozásához. Most sikerült kifejleszteniük egy mesterséges anyagcsere-útvonalat, amely a hangyasavból, a mesterséges fotoszintézis lehetséges köztitermékéből, rendkívül reaktív formaldehidet állít elő. A formaldehid közvetlenül beléphet számos anyagcsere-útvonalba, hogy más értékes anyagokat képezzen toxikus hatások nélkül. Mint egy természetes folyamatban, két fő összetevőre van szükség: energiára és szénre. Az elsőt nemcsak közvetlen napfény, hanem elektromosság is biztosíthatja – például napelemek.
Az értékláncban a szénforrások változóak. A szén-dioxid itt nem az egyetlen lehetőség, hanem az összes egyes szénvegyületről (C1 építőelemekről) beszélünk: szén-monoxidról, hangyasavról, formaldehidről, metanolról és metánról. Ezek az anyagok azonban szinte mindegyike erősen mérgező, mind az élő szervezetekre (szén-monoxid, formaldehid, metanol), mind a bolygóra (metán, mint üvegházhatású gáz) nézve. Sok mikroorganizmus csak azután tolerálja a hangyasav magas koncentrációját, miután a hangyasavat bázikus formiáttá semlegesítették.
„A hangyasav egy nagyon ígéretes szénforrás” – hangsúlyozza Maren Nattermann, a tanulmány első szerzője. „De in vitro formaldehiddé alakítása nagyon energiaigényes.” Ez azért van, mert a formiát, a formiát sója, nem könnyen alakítható formaldehiddé. „Komoly kémiai gát van e két molekula között, és mielőtt valódi reakciót tudnánk végrehajtani, ezt biokémiai energia – ATP – segítségével kell leküzdenünk.”
A kutatók célja egy gazdaságosabb módszer megtalálása volt. Végül is minél kevesebb energiára van szükség a szén anyagcserébe juttatásához, annál több energia fordítható a növekedés vagy a termelés serkentésére. De a természetben nincs ilyen módszer. „Az úgynevezett többfunkciós hibrid enzimek felfedezése némi kreativitást igényelt” – mondja Tobias Erb. „Azonban a jelölt enzimek felfedezése csak a kezdet. Olyan reakciókról beszélünk, amelyek egybeszámíthatók, mert nagyon lassúak – egyes esetekben enzimenként kevesebb, mint egy reakció történik másodpercenként. A természetes reakciók ezerszer gyorsabb sebességgel is végbemehetnek.” Itt jön képbe a szintetikus biokémia, mondja Maren Nattermann: „Ha ismered egy enzim szerkezetét és mechanizmusát, tudod, hol kell beavatkozni. Nagy hasznunkra vált.”
Az enzimoptimalizálás számos megközelítést foglal magában: speciális építőelem-cserét, véletlenszerű mutációk generálását és kapacitáskiválasztást. „Mind a formiát, mind a formaldehid nagyon alkalmas, mivel képesek behatolni a sejtfalakba. Formiátot adhatunk a sejtkultúra táptalajához, ami egy olyan enzimet termel, amely néhány óra múlva a keletkező formaldehidet nem mérgező sárga festékké alakítja” – mondta Maren. Nattermann magyarázta.
Ilyen rövid idő alatt nem lettek volna lehetségesek eredmények nagy áteresztőképességű módszerek alkalmazása nélkül. Ennek érdekében a kutatók együttműködtek ipari partnerükkel, a Festo-val Esslingenben, Németországban. „Mintegy 4000 variáció után megnégyszereztük a hozamot” – mondja Maren Nattermann. „Így megteremtettük az alapot az E. coli modellmikroorganizmus, a biotechnológia mikrobiális munkalovának hangyasavon történő tenyésztéséhez. Jelenleg azonban sejtjeink csak formaldehidet képesek termelni, és nem tudnak tovább átalakulni.”
Munkatársával, Sebastian Winkkel, a Növényi Molekuláris Élettani Intézet munkatársával együttműködve a Max Planck kutatói jelenleg egy olyan törzset fejlesztenek, amely képes felvenni a köztitermékeket és bejuttatni azokat a központi anyagcserébe. Ezzel egy időben a csapat a szén-dioxid hangyasavvá történő elektrokémiai átalakulását kutatja egy munkacsoporttal a Kémiai Energiaátalakítási Intézetben. Max Planck Walter Leitner irányításával. A hosszú távú cél egy „mindenki számára egységes platform” létrehozása az elektrobiokémiai folyamatokkal előállított szén-dioxidtól olyan termékekig, mint az inzulin vagy a biodízel.
Hivatkozás: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu „Új kaszkád fejlesztése foszfátfüggő formiát formaldehiddé alakítására in vitro és in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez és Tobias J. Erb, 2023. május 9., Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: A legjobb tech hírek otthona 1998 óta. Maradjon naprakész a legfrissebb tech hírekkel e-mailben vagy a közösségi médiában. > E-mail összefoglaló ingyenes előfizetéssel
A Cold Spring Harbor Laboratories kutatói azt találták, hogy az SRSF1, egy RNS-splicingot szabályozó fehérje, fel van szabályozva a hasnyálmirigyben.