Formiat kan ses som rygraden i en kulstofneutral bioøkonomi, produceret fra CO2 ved hjælp af (elektro)kemiske metoder og omdannet til værdiskabende produkter ved hjælp af enzymatiske kaskader eller konstruerede mikroorganismer. Et vigtigt skridt i at udvide assimileringen af ​​syntetisk formiat er dets termodynamisk komplekse reduktion af formaldehyd, som her fremstår som en gul farveændring. Kilde: Institute of Terrestrial Microbiology Max Planck/Geisel.
Forskere ved Max Planck Instituttet har skabt en syntetisk metabolisk vej, der omdanner kuldioxid til formaldehyd ved hjælp af myresyre, hvilket tilbyder en kulstofneutral måde at producere værdifulde materialer på.
Nye anabolske veje til kuldioxidbinding hjælper ikke kun med at reducere kuldioxidniveauet i atmosfæren, men kan også erstatte den traditionelle kemiske produktion af lægemidler og aktive ingredienser med kulstofneutrale biologiske processer. Ny forskning demonstrerer en proces, hvorved myresyre kan bruges til at omdanne kuldioxid til et materiale, der er værdifuldt for den biokemiske industri.
I betragtning af stigningen i drivhusgasemissioner er kulstofbinding eller kuldioxidbinding fra store emissionskilder et presserende problem. I naturen har assimileringen af ​​kuldioxid foregået i millioner af år, men dens kraft er langt fra tilstrækkelig til at kompensere for menneskeskabte emissioner.
Forskere ledet af Tobias Erb fra Institut for Terrestrisk Mikrobiologi. Max Planck bruger naturlige værktøjer til at udvikle nye metoder til at binde kuldioxid. Det er nu lykkedes dem at udvikle en kunstig metabolisk vej, der producerer meget reaktiv formaldehyd fra myresyre, et muligt mellemprodukt i kunstig fotosyntese. Formaldehyd kan direkte indgå i flere metaboliske veje og danne andre værdifulde stoffer uden nogen toksiske virkninger. Som med en naturlig proces kræves to hovedingredienser: energi og kulstof. Den første kan ikke kun leveres af direkte sollys, men også af elektricitet - for eksempel solcellemoduler.
I værdikæden er kulstofkilderne variable. Kuldioxid er ikke den eneste mulighed her, vi taler om alle de individuelle kulstofforbindelser (C1-byggesten): kulilte, myresyre, formaldehyd, methanol og metan. Næsten alle disse stoffer er dog meget giftige, både for levende organismer (kulilte, formaldehyd, methanol) og for planeten (metan som drivhusgas). Det er først efter at myresyre er blevet neutraliseret til sit basiske formiat, at mange mikroorganismer tolererer høje koncentrationer af det.
"Myresyre er en meget lovende kilde til kulstof," understreger Maren Nattermann, førsteforfatter af studiet. "Men at omdanne det til formaldehyd in vitro er meget energikrævende." Dette skyldes, at formiat, saltet af formiat, ikke let omdannes til formaldehyd. "Der er en alvorlig kemisk barriere mellem disse to molekyler, og før vi kan udføre en reel reaktion, skal vi overvinde den ved hjælp af biokemisk energi – ATP."
Forskernes mål var at finde en mere økonomisk måde. Jo mindre energi der kræves for at tilføre kulstof til stofskiftet, desto mere energi kan der bruges til at stimulere vækst eller produktion. Men sådan en måde findes ikke i naturen. "Opdagelsen af ​​såkaldte hybride enzymer med flere funktioner krævede en vis kreativitet," siger Tobias Erb. "Opdagelsen af ​​kandidatenzymer er dog kun begyndelsen. Vi taler om reaktioner, der kan tælles sammen, fordi de er meget langsomme – i nogle tilfælde er der mindre end én reaktion pr. sekund pr. enzym. Naturlige reaktioner kan forløbe med en hastighed, der er tusind gange hurtigere." Det er her, syntetisk biokemi kommer ind i billedet, siger Maren Nattermann: "Hvis du kender et enzyms struktur og mekanisme, ved du, hvor du skal gribe ind. Det har været til stor gavn."
Enzymoptimering involverer flere tilgange: specialiseret udveksling af byggesten, generering af tilfældige mutationer og kapacitetsudvælgelse. "Både formiat og formaldehyd er meget velegnede, fordi de kan trænge ind i cellevægge. Vi kan tilsætte formiat til cellekulturmediet, hvilket producerer et enzym, der omdanner den resulterende formaldehyd til et ikke-giftigt gult farvestof efter et par timer," sagde Maren. Nattermann forklarede.
Resultater på så kort tid ville ikke have været mulige uden brug af højkapacitetsmetoder. For at gøre dette samarbejdede forskerne med industripartneren Festo i Esslingen, Tyskland. "Efter omkring 4.000 variationer firedoblede vi vores udbytte," siger Maren Nattermann. "Dermed har vi skabt grundlaget for væksten af ​​modelmikroorganismen E. coli, bioteknologiens mikrobielle arbejdshest, på myresyre. Men i øjeblikket kan vores celler kun producere formaldehyd og kan ikke transformere sig yderligere."
I samarbejde med sin samarbejdspartner Sebastian Wink fra Institut for Plantemolekylær Fysiologi udvikler Max Planck-forskere i øjeblikket en stamme, der kan optage mellemprodukter og introducere dem i den centrale metabolisme. Samtidig forsker teamet i den elektrokemiske omdannelse af kuldioxid til myresyre med en arbejdsgruppe ved Institut for Kemisk Energiomdannelse ved Max Planck under ledelse af Walter Leitner. Det langsigtede mål er en "one-size-fits-all"-platform, der dækker alt fra kuldioxid produceret ved elektrobiokemiske processer til produkter som insulin eller biodiesel.
Reference: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Udvikling af en ny kaskade til omdannelse af fosfatafhængigt formiat til formaldehyd in vitro og in vivo”, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez og Tobias J. Erb, 9. maj 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Hjemmeside for de bedste tech-nyheder siden 1998. Hold dig opdateret med de seneste tech-nyheder via e-mail eller sociale medier. > E-mail-digest med gratis abonnement
Forskere ved Cold Spring Harbor Laboratories fandt ud af, at SRSF1, et protein der regulerer RNA-splejsning, er opreguleret i bugspytkirtlen.