Το μυρμηκικό άλας μπορεί να θεωρηθεί ως η ραχοκοκαλιά μιας βιοοικονομίας με ουδέτερο ισοζύγιο άνθρακα, που παράγεται από CO2 χρησιμοποιώντας (ηλεκτρο)χημικές μεθόδους και μετατρέπεται σε προϊόντα προστιθέμενης αξίας χρησιμοποιώντας ενζυματικές καταρράκτες ή μηχανικά επεξεργασμένους μικροοργανισμούς. Ένα σημαντικό βήμα στην επέκταση της αφομοίωσης του συνθετικού μυρμηκικού άλατος είναι η θερμοδυναμικά πολύπλοκη αναγωγή της φορμαλδεΰδης, η οποία εδώ εμφανίζεται ως αλλαγή κίτρινου χρώματος. Πίστωση: Ινστιτούτο Επίγειας Μικροβιολογίας Max Planck/Geisel.
Επιστήμονες στο Ινστιτούτο Max Planck δημιούργησαν μια συνθετική μεταβολική οδό που μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε φορμαλδεΰδη με τη βοήθεια μυρμηκικού οξέος, προσφέροντας έναν ουδέτερο ως προς τον άνθρακα τρόπο παραγωγής πολύτιμων υλικών.
Οι νέες αναβολικές οδοί για τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα όχι μόνο βοηθούν στη μείωση των επιπέδων διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, αλλά μπορούν επίσης να αντικαταστήσουν την παραδοσιακή χημική παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων και δραστικών συστατικών με βιολογικές διεργασίες με ουδέτερο ισοζύγιο άνθρακα. Νέα έρευνα καταδεικνύει μια διαδικασία με την οποία το μυρμηκικό οξύ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε ένα υλικό πολύτιμο για τη βιοχημική βιομηχανία.
Δεδομένης της αύξησης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, η δέσμευση άνθρακα ή διοξειδίου του άνθρακα από μεγάλες πηγές εκπομπών αποτελεί πιεστικό ζήτημα. Στη φύση, η αφομοίωση του διοξειδίου του άνθρακα συνεχίζεται εδώ και εκατομμύρια χρόνια, αλλά η ισχύς της δεν επαρκεί για να αντισταθμίσει τις ανθρωπογενείς εκπομπές.
Οι ερευνητές με επικεφαλής τον Tobias Erb του Ινστιτούτου Επίγειας Μικροβιολογίας, Max Planck, χρησιμοποιούν φυσικά εργαλεία για να αναπτύξουν νέες μεθόδους για τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα. Έχουν πλέον καταφέρει να αναπτύξουν μια τεχνητή μεταβολική οδό που παράγει φορμαλδεΰδη υψηλής δραστικότητας από μυρμηκικό οξύ, ένα πιθανό ενδιάμεσο στην τεχνητή φωτοσύνθεση. Η φορμαλδεΰδη μπορεί να εισέλθει απευθείας σε διάφορες μεταβολικές οδούς για να σχηματίσει άλλες πολύτιμες ουσίες χωρίς τοξικές επιπτώσεις. Όπως συμβαίνει με μια φυσική διαδικασία, απαιτούνται δύο κύρια συστατικά: ενέργεια και άνθρακας. Το πρώτο μπορεί να παρασχεθεί όχι μόνο από το άμεσο ηλιακό φως, αλλά και από ηλεκτρική ενέργεια - για παράδειγμα, ηλιακές μονάδες.
Στην αλυσίδα αξίας, οι πηγές άνθρακα είναι μεταβλητές. Το διοξείδιο του άνθρακα δεν είναι η μόνη επιλογή εδώ, μιλάμε για όλες τις μεμονωμένες ενώσεις άνθρακα (δομικά στοιχεία C1): μονοξείδιο του άνθρακα, μυρμηκικό οξύ, φορμαλδεΰδη, μεθανόλη και μεθάνιο. Ωστόσο, σχεδόν όλες αυτές οι ουσίες είναι εξαιρετικά τοξικές, τόσο για τους ζωντανούς οργανισμούς (μονοξείδιο του άνθρακα, φορμαλδεΰδη, μεθανόλη) όσο και για τον πλανήτη (μεθάνιο ως αέριο θερμοκηπίου). Μόνο μετά την εξουδετέρωση του μυρμηκικού οξέος στο βασικό μυρμηκικό του άλας, πολλοί μικροοργανισμοί ανέχονται υψηλές συγκεντρώσεις του.
«Το μυρμηκικό οξύ είναι μια πολύ υποσχόμενη πηγή άνθρακα», τονίζει η Maren Nattermann, πρώτη συγγραφέας της μελέτης. «Αλλά η μετατροπή του σε φορμαλδεΰδη in vitro είναι πολύ ενεργοβόρα». Αυτό συμβαίνει επειδή το μυρμηκικό, το άλας του μυρμηκικού, δεν μετατρέπεται εύκολα σε φορμαλδεΰδη. «Υπάρχει ένα σοβαρό χημικό φράγμα μεταξύ αυτών των δύο μορίων και πριν μπορέσουμε να πραγματοποιήσουμε μια πραγματική αντίδραση, πρέπει να το ξεπεράσουμε με τη βοήθεια της βιοχημικής ενέργειας - ATP».
Στόχος των ερευνητών ήταν να βρουν έναν πιο οικονομικό τρόπο. Άλλωστε, όσο λιγότερη ενέργεια απαιτείται για την τροφοδοσία του μεταβολισμού με άνθρακα, τόσο περισσότερη ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τόνωση της ανάπτυξης ή της παραγωγής. Αλλά δεν υπάρχει τέτοιος τρόπος στη φύση. «Η ανακάλυψη των λεγόμενων υβριδικών ενζύμων με πολλαπλές λειτουργίες απαιτούσε κάποια δημιουργικότητα», λέει ο Tobias Erb. «Ωστόσο, η ανακάλυψη υποψήφιων ενζύμων είναι μόνο η αρχή. Μιλάμε για αντιδράσεις που μπορούν να μετρηθούν μαζί επειδή είναι πολύ αργές - σε ορισμένες περιπτώσεις, υπάρχει λιγότερη από μία αντίδραση ανά δευτερόλεπτο ανά ένζυμο. Οι φυσικές αντιδράσεις μπορούν να προχωρήσουν με ρυθμό που είναι χίλιες φορές πιο γρήγορος». Εδώ έρχεται η συνθετική βιοχημεία, λέει η Maren Nattermann: «Αν γνωρίζετε τη δομή και τον μηχανισμό ενός ενζύμου, ξέρετε πού να παρέμβετε. Ήταν πολύ ωφέλιμο».
Η βελτιστοποίηση των ενζύμων περιλαμβάνει διάφορες προσεγγίσεις: εξειδικευμένη ανταλλαγή δομικών στοιχείων, τυχαία δημιουργία μεταλλάξεων και επιλογή χωρητικότητας. «Τόσο το μυρμηκικό όσο και η φορμαλδεΰδη είναι πολύ κατάλληλα επειδή μπορούν να διαπεράσουν τα κυτταρικά τοιχώματα. Μπορούμε να προσθέσουμε μυρμηκικό στο μέσο κυτταροκαλλιέργειας, το οποίο παράγει ένα ένζυμο που μετατρέπει την προκύπτουσα φορμαλδεΰδη σε μια μη τοξική κίτρινη χρωστική μετά από λίγες ώρες», δήλωσε ο Maren. Εξήγησε ο Nattermann.
Τα αποτελέσματα σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα δεν θα ήταν δυνατά χωρίς τη χρήση μεθόδων υψηλής απόδοσης. Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με τον βιομηχανικό εταίρο Festo στο Έσλινγκεν της Γερμανίας. «Μετά από περίπου 4.000 παραλλαγές, τετραπλασιάσαμε την απόδοσή μας», λέει η Maren Nattermann. «Έτσι, δημιουργήσαμε τη βάση για την ανάπτυξη του μικροοργανισμού-μοντέλου E. coli, του μικροβιακού «αλόγου εργασίας» της βιοτεχνολογίας, σε μυρμηκικό οξύ. Ωστόσο, προς το παρόν, τα κύτταρά μας μπορούν να παράγουν μόνο φορμαλδεΰδη και δεν μπορούν να μετασχηματιστούν περαιτέρω».
Σε συνεργασία με τον συνεργάτη του Sebastian Wink από το Ινστιτούτο Μοριακής Φυσιολογίας Φυτών, οι ερευνητές του Max Planck αναπτύσσουν επί του παρόντος ένα στέλεχος που μπορεί να προσλάβει ενδιάμεσα προϊόντα και να τα εισαγάγει στον κεντρικό μεταβολισμό. Ταυτόχρονα, η ομάδα διεξάγει έρευνα σχετικά με την ηλεκτροχημική μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε μυρμηκικό οξύ με μια ομάδα εργασίας στο Ινστιτούτο Χημικής Μετατροπής Ενέργειας. Max Planck υπό τη διεύθυνση του Walter Leitner. Ο μακροπρόθεσμος στόχος είναι μια «ενιαία πλατφόρμα» από το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται με ηλεκτροβιοχημικές διεργασίες σε προϊόντα όπως η ινσουλίνη ή το βιοντίζελ.
Αναφορά: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu «Ανάπτυξη μιας νέας καταρράκτη για τη μετατροπή του εξαρτώμενου από φωσφορικά μυρμηκικού σε φορμαλδεΰδη in vitro και in vivo», Lennart Nickel., Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez και Tobias J. Erb, 9 Μαΐου 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Η σελίδα των καλύτερων τεχνολογικών ειδήσεων από το 1998. Μείνετε ενημερωμένοι με τα τελευταία τεχνολογικά νέα μέσω email ή μέσων κοινωνικής δικτύωσης. > Σύνοψη μέσω email με δωρεάν συνδρομή
Ερευνητές στα Εργαστήρια Cold Spring Harbor διαπίστωσαν ότι η SRSF1, μια πρωτεΐνη που ρυθμίζει τη συρραφή του RNA, ρυθμίζεται προς τα πάνω στο πάγκρεας.