Формат можно рассматривать как основу углеродно-нейтральной биоэкономики, получаемый из CO2 с использованием (электро)химических методов и преобразуемый в продукты с добавленной стоимостью с помощью ферментативных каскадов или генно-модифицированных микроорганизмов. Важным шагом в расширении использования синтетического формиата является его термодинамически сложное восстановление формальдегида, которое здесь проявляется в виде изменения цвета на желтый. Изображение предоставлено Институтом наземной микробиологии Макса Планка/Geisel.
Ученые из Института Макса Планка разработали синтетический метаболический путь, который с помощью муравьиной кислоты преобразует углекислый газ в формальдегид, предлагая углеродно-нейтральный способ производства ценных материалов.
Новые анаболические пути фиксации углекислого газа не только помогают снизить уровень углекислого газа в атмосфере, но и могут заменить традиционное химическое производство фармацевтических препаратов и активных ингредиентов углеродно-нейтральными биологическими процессами. Новые исследования демонстрируют процесс, в котором муравьиная кислота может быть использована для преобразования углекислого газа в ценное для биохимической промышленности вещество.
В связи с ростом выбросов парниковых газов, секвестрация углерода или поглощение углекислого газа из крупных источников выбросов становится актуальной проблемой. В природе поглощение углекислого газа происходит миллионы лет, но его мощности далеко не достаточно, чтобы компенсировать антропогенные выбросы.
Исследователи во главе с Тобиасом Эрбом из Института наземной микробиологии им. Макса Планка используют природные инструменты для разработки новых методов фиксации углекислого газа. Им удалось разработать искусственный метаболический путь, который производит высокореактивный формальдегид из муравьиной кислоты, возможного промежуточного продукта искусственного фотосинтеза. Формальдегид может напрямую поступать в несколько метаболических путей для образования других ценных веществ без каких-либо токсических эффектов. Как и в естественном процессе, необходимы два основных компонента: энергия и углерод. Первый может быть получен не только от прямого солнечного света, но и от электричества – например, от солнечных батарей.
В цепочке создания стоимости источники углерода разнообразны. Углекислый газ — не единственный вариант, речь идёт обо всех отдельных углеродсодержащих соединениях (строительных блоках C1): оксиде углерода, муравьиной кислоте, формальдегиде, метаноле и метане. Однако почти все эти вещества высокотоксичны как для живых организмов (оксид углерода, формальдегид, метанол), так и для планеты (метан как парниковый газ). Только после нейтрализации муравьиной кислоты до её основного формиата многие микроорганизмы способны переносить высокие её концентрации.
«Муравьиная кислота — очень перспективный источник углерода», — подчеркивает Марен Наттерманн, первый автор исследования. «Но превращение ее в формальдегид in vitro требует больших затрат энергии». Это связано с тем, что формиат, соль формиата, нелегко превращается в формальдегид. «Между этими двумя молекулами существует серьезный химический барьер, и прежде чем мы сможем провести реальную реакцию, мы должны преодолеть его с помощью биохимической энергии — АТФ».
Цель исследователей заключалась в поиске более экономичного способа. В конце концов, чем меньше энергии требуется для подачи углерода в метаболизм, тем больше энергии можно использовать для стимуляции роста или производства. Но в природе такого способа нет. «Открытие так называемых гибридных ферментов с множественными функциями потребовало определенной изобретательности», — говорит Тобиас Эрб. «Однако открытие ферментов-кандидатов — это только начало. Речь идет о реакциях, которые можно сложить вместе, потому что они очень медленные — в некоторых случаях на один фермент приходится менее одной реакции в секунду. Природные реакции могут протекать в тысячу раз быстрее». Вот тут-то и вступает в игру синтетическая биохимия, говорит Марен Наттерманн: «Если вы знаете структуру и механизм действия фермента, вы знаете, где нужно вмешаться. Это принесло огромную пользу».
Оптимизация ферментов включает в себя несколько подходов: замену специализированных строительных блоков, генерацию случайных мутаций и отбор по емкости. «И формиат, и формальдегид очень подходят, потому что они могут проникать через клеточные стенки. Мы можем добавить формиат в культуральную среду, что приводит к образованию фермента, который через несколько часов превращает полученный формальдегид в нетоксичный желтый краситель», — пояснил Марен Наттерманн.
Получение таких результатов за столь короткий период времени было бы невозможно без использования высокопроизводительных методов. Для этого исследователи сотрудничали с промышленным партнером Festo из Эсслингена, Германия. «После примерно 4000 вариаций мы увеличили выход продукта в четыре раза», — говорит Марен Наттерманн. «Таким образом, мы создали основу для выращивания модельного микроорганизма E. coli, основного микробного «рабочего коня» биотехнологии, на муравьиной кислоте. Однако на данный момент наши клетки могут производить только формальдегид и не могут подвергаться дальнейшей трансформации».
В сотрудничестве со своим коллегой Себастьяном Винком из Института молекулярной физиологии растений исследователи Института Макса Планка в настоящее время разрабатывают штамм, способный поглощать промежуточные продукты и вводить их в центральный метаболизм. Одновременно команда проводит исследования электрохимического превращения диоксида углерода в муравьиную кислоту в рабочей группе Института преобразования химической энергии Института Макса Планка под руководством Вальтера Лейтнера. Долгосрочная цель – создание «универсальной платформы» для преобразования диоксида углерода, полученного электробиохимическими процессами, в такие продукты, как инсулин или биодизель.
Ссылка: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu «Разработка нового каскада для превращения фосфат-зависимого формиата в формальдегид in vitro и in vivo», Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, and Tobias J. Erb, 9 мая 2023 г., Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Лучшие новости из мира технологий с 1998 года. Будьте в курсе последних новостей в сфере технологий по электронной почте или в социальных сетях. > Подписка на рассылку по электронной почте.
Исследователи из лаборатории Колд-Спринг-Харбор обнаружили, что в поджелудочной железе повышается экспрессия белка SRSF1, регулирующего сплайсинг РНК.