Ang formate ay maaaring ituring na gulugod ng isang carbon-neutral na bioeconomy, na ginawa mula sa CO2 gamit ang mga pamamaraang (electro)kemikal at kino-convert sa mga produktong may dagdag na halaga gamit ang mga enzymatic cascades o mga engineered microorganism. Ang isang mahalagang hakbang sa pagpapalawak ng asimilasyon ng sintetikong formate ay ang thermodynamically complex reduction nito ng formaldehyde, na dito ay lumilitaw bilang isang dilaw na pagbabago ng kulay. Credit: Institute of Terrestrial Microbiology Max Planck/Geisel.
Ang mga siyentipiko sa Max Planck Institute ay lumikha ng isang sintetikong metabolic pathway na nag-convert ng carbon dioxide sa formaldehyde sa tulong ng formic acid, na nag-aalok ng carbon-neutral na paraan upang makagawa ng mahahalagang materyales.
Ang mga bagong anabolic pathway para sa carbon dioxide fixation ay hindi lamang nakakatulong upang mabawasan ang antas ng carbon dioxide sa atmospera, kundi maaari ring palitan ang tradisyonal na kemikal na produksyon ng mga parmasyutiko at aktibong sangkap ng mga prosesong biyolohikal na neutral sa carbon. Ipinapakita ng bagong pananaliksik ang isang proseso kung saan maaaring gamitin ang formic acid upang gawing isang materyal na mahalaga sa industriya ng biochemical ang carbon dioxide.
Dahil sa pagtaas ng mga greenhouse gas emissions, ang carbon sequestration o carbon dioxide sequestration mula sa malalaking pinagmumulan ng emisyon ay isang apurahang isyu. Sa kalikasan, ang asimilasyon ng carbon dioxide ay nagaganap na sa loob ng milyun-milyong taon, ngunit ang lakas nito ay malayo sa sapat upang mabawi ang mga antropogenikong emisyon.
Ang mga mananaliksik na pinamumunuan ni Tobias Erb ng Institute of Terrestrial Microbiology. Gumagamit si Max Planck ng mga natural na kagamitan upang bumuo ng mga bagong pamamaraan para sa pag-aayos ng carbon dioxide. Nagtagumpay na sila ngayon sa pagbuo ng isang artipisyal na metabolic pathway na gumagawa ng highly reactive formaldehyde mula sa formic acid, isang posibleng intermediate sa artipisyal na photosynthesis. Ang formaldehyde ay maaaring direktang makapasok sa ilang metabolic pathway upang bumuo ng iba pang mahahalagang sangkap nang walang anumang nakalalasong epekto. Tulad ng isang natural na proseso, dalawang pangunahing sangkap ang kinakailangan: enerhiya at carbon. Ang una ay maaaring maibigay hindi lamang sa pamamagitan ng direktang sikat ng araw, kundi pati na rin sa pamamagitan ng kuryente – halimbawa, mga solar module.
Sa value chain, pabagu-bago ang mga pinagmumulan ng carbon. Hindi lamang ang carbon dioxide ang opsyon dito, pinag-uusapan natin ang lahat ng indibidwal na carbon compound (mga bloke ng pagbuo ng C1): carbon monoxide, formic acid, formaldehyde, methanol at methane. Gayunpaman, halos lahat ng mga sangkap na ito ay lubhang nakalalason, kapwa para sa mga nabubuhay na organismo (carbon monoxide, formaldehyde, methanol) at para sa planeta (methane bilang isang greenhouse gas). Pagkatapos lamang ma-neutralize ang formic acid sa basic formate nito, saka lamang tinitiis ng maraming mikroorganismo ang mataas na konsentrasyon nito.
“Ang formic acid ay isang napaka-promising na mapagkukunan ng carbon,” pagbibigay-diin ni Maren Nattermann, unang may-akda ng pag-aaral. “Ngunit ang pag-convert nito sa formaldehyde in vitro ay lubhang masinsinan sa enerhiya.” Ito ay dahil ang formate, ang asin ng formate, ay hindi madaling ma-convert sa formaldehyde. “Mayroong isang seryosong kemikal na hadlang sa pagitan ng dalawang molekulang ito, at bago tayo makapagsagawa ng isang tunay na reaksyon, kailangan natin itong malampasan sa tulong ng biochemical energy – ATP.”
Ang layunin ng mga mananaliksik ay makahanap ng mas matipid na paraan. Tutal, mas kaunting enerhiya ang kailangan upang ma-enable ang carbon sa metabolismo, mas maraming enerhiya ang maaaring gamitin upang pasiglahin ang paglago o produksyon. Ngunit walang ganitong paraan sa kalikasan. "Ang pagtuklas ng tinatawag na hybrid enzymes na may maraming function ay nangangailangan ng kaunting pagkamalikhain," sabi ni Tobias Erb. "Gayunpaman, ang pagtuklas ng mga kandidatong enzyme ay simula pa lamang. Pinag-uusapan natin ang mga reaksyon na maaaring mabilang nang magkakasama dahil napakabagal ng mga ito—sa ilang mga kaso, mayroong mas mababa sa isang reaksyon bawat segundo bawat enzyme. Ang mga natural na reaksyon ay maaaring magpatuloy sa bilis na isang libong beses na mas mabilis." Dito pumapasok ang sintetikong biochemistry, sabi ni Maren Nattermann: "Kung alam mo ang istruktura at mekanismo ng isang enzyme, alam mo kung saan makikialam. Malaki ang naging pakinabang nito."
Ang pag-optimize ng enzyme ay kinabibilangan ng ilang mga pamamaraan: espesyalisadong pagpapalit ng building block, random mutation generation, at pagpili ng kapasidad. "Parehong angkop ang formate at formaldehyde dahil kaya nilang tumagos sa mga cell wall. Maaari tayong magdagdag ng formate sa cell culture medium, na lumilikha ng enzyme na ginagawang hindi nakalalasong dilaw na tina ang nagresultang formaldehyde pagkalipas ng ilang oras," sabi ni Maren. Paliwanag ni Nattermann.
Hindi magiging posible ang mga resulta sa ganoong kaikling panahon kung wala ang paggamit ng mga high-throughput na pamamaraan. Upang magawa ito, nakipagtulungan ang mga mananaliksik sa kasosyong industriyal na Festo sa Esslingen, Germany. "Matapos ang humigit-kumulang 4,000 na baryasyon, pinalaki namin nang apat na beses ang aming ani," sabi ni Maren Nattermann. "Samakatuwid, nakalikha kami ng batayan para sa paglaki ng modelong mikroorganismo na E. coli, ang microbial workhorse ng biotechnology, sa formic acid. Gayunpaman, sa ngayon, ang ating mga selula ay maaari lamang gumawa ng formaldehyde at hindi na maaaring magbago pa."
Sa pakikipagtulungan ng kanyang kolaborador na si Sebastian Wink mula sa Institute of Plant Molecular Physiology, kasalukuyang bumubuo ang mga mananaliksik ni Max Planck ng isang strain na maaaring kumuha ng mga intermediate na sangkap at ipakilala ang mga ito sa central metabolism. Kasabay nito, nagsasagawa ang pangkat ng pananaliksik sa electrochemical conversion ng carbon dioxide sa formic acid kasama ang isang working group sa Institute of Chemical Energy Conversion. Si Max Planck sa ilalim ng pamamahala ni Walter Leitner. Ang pangmatagalang layunin ay isang "one-size-fits-all platform" mula sa carbon dioxide na ginawa ng mga electrobiochemical na proseso patungo sa mga produktong tulad ng insulin o biodiesel.
Sanggunian: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Pagbuo ng isang bagong kaskad para sa conversion ng phosphate-dependent formate tungo sa formaldehyde in vitro at in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, at Tobias J. Erb, Mayo 9, 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Tahanan ng pinakamahusay na balita sa teknolohiya simula noong 1998. Manatiling updated sa mga pinakabagong balita sa teknolohiya sa pamamagitan ng email o social media. > Email digest na may libreng subscription
Natuklasan ng mga mananaliksik sa Cold Spring Harbor Laboratories na ang SRSF1, isang protina na nagreregula sa RNA splicing, ay tumataas ang antas ng protina sa pancreas.