Mravčan možno považovať za chrbticu uhlíkovo neutrálnej bioekonomiky, ktorá sa vyrába z CO2 pomocou (elektro)chemických metód a premieňa na produkty s pridanou hodnotou pomocou enzymatických kaskád alebo umelo vytvorených mikroorganizmov. Dôležitým krokom v rozširovaní asimilácie syntetického mravčanu je jeho termodynamicky komplexná redukcia formaldehydu, ktorá sa tu prejavuje ako zmena žltého sfarbenia. Zdroj: Inštitút terestriálnej mikrobiológie Maxa Plancka/Geisela.
Vedci z Max Planck Institute vytvorili syntetickú metabolickú dráhu, ktorá premieňa oxid uhličitý na formaldehyd pomocou kyseliny mravčej, čím ponúka uhlíkovo neutrálny spôsob výroby cenných materiálov.
Nové anabolické dráhy fixácie oxidu uhličitého nielen pomáhajú znižovať hladiny oxidu uhličitého v atmosfére, ale môžu tiež nahradiť tradičnú chemickú výrobu liečiv a účinných látok uhlíkovo neutrálnymi biologickými procesmi. Nový výskum demonštruje proces, pri ktorom sa kyselina mravčia môže použiť na premenu oxidu uhličitého na materiál cenný pre biochemický priemysel.
Vzhľadom na nárast emisií skleníkových plynov je sekvestrácia uhlíka alebo sekvestrácia oxidu uhličitého z veľkých zdrojov emisií naliehavou otázkou. V prírode prebieha asimilácia oxidu uhličitého už milióny rokov, ale jej sila zďaleka nestačí na kompenzáciu antropogénnych emisií.
Výskumníci pod vedením Tobiasa Erba z Inštitútu terestriálnej mikrobiológie Maxa Plancka využívajú prírodné nástroje na vývoj nových metód fixácie oxidu uhličitého. Teraz sa im podarilo vyvinúť umelú metabolickú dráhu, ktorá produkuje vysoko reaktívny formaldehyd z kyseliny mravčej, čo je možný medziprodukt v umelej fotosyntéze. Formaldehyd môže priamo vstúpiť do niekoľkých metabolických dráh a tvoriť ďalšie cenné látky bez akýchkoľvek toxických účinkov. Rovnako ako pri prirodzenom procese sú potrebné dve hlavné zložky: energia a uhlík. Prvú môže poskytnúť nielen priame slnečné svetlo, ale aj elektrina – napríklad solárne moduly.
V hodnotovom reťazci sú zdroje uhlíka variabilné. Oxid uhličitý tu nie je jedinou možnosťou, hovoríme o všetkých jednotlivých zlúčeninách uhlíka (stavebné bloky C1): oxid uhoľnatý, kyselina mravčia, formaldehyd, metanol a metán. Takmer všetky tieto látky sú však vysoko toxické, a to ako pre živé organizmy (oxid uhoľnatý, formaldehyd, metanol), tak aj pre planétu (metán ako skleníkový plyn). Až po neutralizácii kyseliny mravčej na jej zásaditý mravčan mnohé mikroorganizmy tolerujú jej vysoké koncentrácie.
„Kyselina mravčia je veľmi sľubným zdrojom uhlíka,“ zdôrazňuje Maren Nattermannová, prvá autorka štúdie. „Jej premena na formaldehyd in vitro je však veľmi energeticky náročná.“ Je to preto, že mravčan, soľ mravčanu, sa na formaldehyd ľahko nepremieňa. „Medzi týmito dvoma molekulami existuje vážna chemická bariéra a predtým, ako môžeme vykonať skutočnú reakciu, ju musíme prekonať pomocou biochemickej energie – ATP.“
Cieľom výskumníkov bolo nájsť ekonomickejší spôsob. Koniec koncov, čím menej energie je potrebné na privádzanie uhlíka do metabolizmu, tým viac energie sa dá použiť na stimuláciu rastu alebo produkcie. V prírode však takýto spôsob neexistuje. „Objav takzvaných hybridných enzýmov s viacerými funkciami si vyžadoval určitú kreativitu,“ hovorí Tobias Erb. „Objav kandidátskych enzýmov je však len začiatok. Hovoríme o reakciách, ktoré sa dajú spočítať, pretože sú veľmi pomalé – v niektorých prípadoch prebieha menej ako jedna reakcia za sekundu na enzým. Prirodzené reakcie môžu prebiehať rýchlosťou, ktorá je tisíckrát rýchlejšia.“ Tu prichádza na rad syntetická biochémia, hovorí Maren Nattermannová: „Ak poznáte štruktúru a mechanizmus enzýmu, viete, kde zasiahnuť. Bola to veľký prínos.“
Optimalizácia enzýmov zahŕňa niekoľko prístupov: špecializovanú výmenu stavebných blokov, generovanie náhodných mutácií a výber kapacity. „Mravčan aj formaldehyd sú veľmi vhodné, pretože dokážu preniknúť bunkovými stenami. Do kultivačného média buniek môžeme pridať formiát, ktorý produkuje enzým, ktorý po niekoľkých hodinách premení výsledný formaldehyd na netoxické žlté farbivo,“ povedal Maren. Vysvetlil Nattermann.
Výsledky v takom krátkom čase by neboli možné bez použitia vysokovýkonných metód. Na dosiahnutie tohto cieľa výskumníci spolupracovali s priemyselným partnerom Festo v nemeckom Esslingene. „Po približne 4 000 variáciách sme štvornásobne zvýšili náš výťažok,“ hovorí Maren Nattermannová. „Vytvorili sme tak základ pre rast modelového mikroorganizmu E. coli, mikrobiálneho ťahúna biotechnológie, na kyseline mravčej. V súčasnosti však naše bunky dokážu produkovať iba formaldehyd a nemôžu ho ďalej transformovať.“
V spolupráci so svojím spolupracovníkom Sebastianom Winkom z Inštitútu molekulárnej fyziológie rastlín výskumníci z Max Planck v súčasnosti vyvíjajú kmeň, ktorý dokáže prijímať medziprodukty a zavádzať ich do centrálneho metabolizmu. Zároveň tím vykonáva výskum elektrochemickej premeny oxidu uhličitého na kyselinu mravčiu s pracovnou skupinou v Inštitúte chemickej premeny energie Max Planck pod vedením Waltera Leitnera. Dlhodobým cieľom je „univerzálna platforma“ od oxidu uhličitého produkovaného elektrobiochemickými procesmi až po produkty, ako je inzulín alebo bionafta.
Zdroj: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu „Vývoj novej kaskády pre premenu fosfát-dependentného mravčanu na formaldehyd in vitro a in vivo“, Lennart Nickel., Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez a Tobias J. Erb, 9. mája 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Domov najlepších technologických správ od roku 1998. Zostaňte v obraze s najnovšími technologickými správami prostredníctvom e-mailu alebo sociálnych médií. > E-mailový súhrn s bezplatným predplatným
Výskumníci z laboratórií Cold Spring Harbor zistili, že SRSF1, proteín, ktorý reguluje zostrih RNA, je v pankrease upregulovaný.