Format boleh dilihat sebagai tulang belakang bioekonomi neutral karbon, yang dihasilkan daripada CO2 menggunakan kaedah (elektro)kimia dan ditukar kepada produk nilai tambah menggunakan lata enzimatik atau mikroorganisma yang direkayasa. Satu langkah penting dalam memperluaskan asimilasi format sintetik ialah pengurangan formaldehid yang kompleks secara termodinamik, yang di sini muncul sebagai perubahan warna kuning. Kredit: Institut Mikrobiologi Terestrial Max Planck/Geisel.
Para saintis di Institut Max Planck telah mencipta laluan metabolik sintetik yang menukarkan karbon dioksida menjadi formaldehid dengan bantuan asid formik, menawarkan cara neutral karbon untuk menghasilkan bahan berharga.
Laluan anabolik baharu untuk penetapan karbon dioksida bukan sahaja membantu mengurangkan tahap karbon dioksida di atmosfera, tetapi juga boleh menggantikan pengeluaran kimia tradisional bagi farmaseutikal dan bahan aktif dengan proses biologi neutral karbon. Penyelidikan baharu menunjukkan proses di mana asid formik boleh digunakan untuk menukar karbon dioksida menjadi bahan yang berharga kepada industri biokimia.
Memandangkan peningkatan pelepasan gas rumah hijau, penyerapan karbon atau penyerapan karbon dioksida daripada sumber pelepasan yang besar merupakan isu yang mendesak. Secara semula jadi, asimilasi karbon dioksida telah berlaku selama berjuta-juta tahun, tetapi kuasanya masih jauh daripada mencukupi untuk mengimbangi pelepasan antropogenik.
Penyelidik yang diketuai oleh Tobias Erb dari Institut Mikrobiologi Terestrial. Max Planck menggunakan alat semula jadi untuk membangunkan kaedah baharu bagi mengikat karbon dioksida. Mereka kini telah berjaya membangunkan laluan metabolik tiruan yang menghasilkan formaldehid yang sangat reaktif daripada asid formik, iaitu perantaraan yang mungkin dalam fotosintesis tiruan. Formaldehid boleh memasuki secara langsung beberapa laluan metabolik untuk membentuk bahan berharga lain tanpa sebarang kesan toksik. Seperti proses semula jadi, dua bahan utama diperlukan: tenaga dan karbon. Yang pertama bukan sahaja boleh disediakan oleh cahaya matahari langsung, tetapi juga oleh elektrik – contohnya, modul solar.
Dalam rantaian nilai, sumber karbon adalah berubah-ubah. Karbon dioksida bukanlah satu-satunya pilihan di sini, kita bercakap tentang semua sebatian karbon individu (blok binaan C1): karbon monoksida, asid formik, formaldehid, metanol dan metana. Walau bagaimanapun, hampir semua bahan ini sangat toksik, baik untuk organisma hidup (karbon monoksida, formaldehid, metanol) dan untuk planet ini (metana sebagai gas rumah hijau). Hanya selepas asid formik dineutralkan kepada format asasnya, barulah banyak mikroorganisma bertolak ansur dengan kepekatan tinggi asid formik.
“Asid formik merupakan sumber karbon yang sangat menjanjikan,” tegas Maren Nattermann, pengarang pertama kajian ini. “Tetapi penukarannya kepada formaldehid secara in vitro memerlukan tenaga yang sangat banyak.” Ini kerana format, garam format, tidak mudah ditukar kepada formaldehid. “Terdapat penghalang kimia yang serius antara kedua-dua molekul ini, dan sebelum kita dapat menjalankan tindak balas sebenar, kita mesti mengatasinya dengan bantuan tenaga biokimia – ATP.”
Tujuan para penyelidik adalah untuk mencari cara yang lebih menjimatkan. Lagipun, semakin sedikit tenaga yang diperlukan untuk memasukkan karbon ke dalam metabolisme, semakin banyak tenaga yang dapat digunakan untuk merangsang pertumbuhan atau pengeluaran. Tetapi tidak ada cara sedemikian dalam alam semula jadi. “Penemuan enzim hibrid yang dipanggil dengan pelbagai fungsi memerlukan sedikit kreativiti,” kata Tobias Erb. “Walau bagaimanapun, penemuan enzim calon hanyalah permulaan. Kita bercakap tentang tindak balas yang boleh dikira bersama kerana ia sangat perlahan—dalam beberapa kes, terdapat kurang daripada satu tindak balas sesaat bagi setiap enzim. Tindak balas semula jadi boleh berlaku pada kadar yang seribu kali lebih pantas.” Di sinilah biokimia sintetik memainkan peranan, kata Maren Nattermann: “Jika anda mengetahui struktur dan mekanisme enzim, anda tahu di mana untuk campur tangan. Ia telah memberi manfaat yang besar.”
Pengoptimuman enzim melibatkan beberapa pendekatan: pertukaran blok binaan khusus, penjanaan mutasi rawak dan pemilihan kapasiti. “Kedua-dua format dan formaldehid sangat sesuai kerana ia boleh menembusi dinding sel. Kita boleh menambah format ke dalam medium kultur sel, yang menghasilkan enzim yang menukarkan formaldehid yang terhasil menjadi pewarna kuning bukan toksik selepas beberapa jam,” kata Maren. Jelas Nattermann.
Keputusan dalam tempoh masa yang singkat tidak mungkin dapat dicapai tanpa penggunaan kaedah pemprosesan tinggi. Untuk melakukan ini, para penyelidik telah bekerjasama dengan rakan industri Festo di Esslingen, Jerman. “Selepas kira-kira 4,000 variasi, kami telah meningkatkan hasil kami empat kali ganda,” kata Maren Nattermann. “Oleh itu, kami telah mewujudkan asas untuk pertumbuhan mikroorganisma model E. coli, mikrob yang paling penting dalam bioteknologi, pada asid formik. Walau bagaimanapun, pada masa ini, sel-sel kita hanya boleh menghasilkan formaldehid dan tidak boleh berubah lagi.”
Dengan kerjasama kolaboratornya Sebastian Wink dari Institut Fisiologi Molekul Tumbuhan, penyelidik Max Planck sedang membangunkan strain yang boleh menyerap bahan perantaraan dan memperkenalkannya ke dalam metabolisme pusat. Pada masa yang sama, pasukan itu sedang menjalankan penyelidikan mengenai penukaran elektrokimia karbon dioksida kepada asid formik dengan kumpulan kerja di Institut Penukaran Tenaga Kimia. Max Planck di bawah arahan Walter Leitner. Matlamat jangka panjang adalah "platform satu saiz untuk semua" daripada karbon dioksida yang dihasilkan oleh proses elektrobiokimia kepada produk seperti insulin atau biodiesel.
Rujukan: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Pembangunan lata baharu untuk penukaran format yang bergantung kepada fosfat kepada formaldehid secara in vitro dan in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, dan Tobias J. Erb, 9 Mei 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Pusat berita teknologi terbaik sejak tahun 1998. Kekal mengikuti perkembangan berita teknologi terkini melalui e-mel atau media sosial. > Ringkasan e-mel dengan langganan percuma
Penyelidik di Cold Spring Harbor Laboratories mendapati bahawa SRSF1, sejenis protein yang mengawal penyambungan RNA, dikawal selia dalam pankreas.