Mravenčan lze považovat za páteř uhlíkově neutrální bioekonomiky, která se vyrábí z CO2 pomocí (elektro)chemických metod a přeměňuje na produkty s přidanou hodnotou pomocí enzymatických kaskád nebo uměle vytvořených mikroorganismů. Důležitým krokem v rozšíření asimilace syntetického mravenčanu je jeho termodynamicky komplexní redukce formaldehydu, která se zde projevuje jako žlutá změna barvy. Zdroj: Ústav terestrické mikrobiologie Maxe Plancka/Geisela.
Vědci z Max Planckova institutu vytvořili syntetickou metabolickou dráhu, která přeměňuje oxid uhličitý na formaldehyd s pomocí kyseliny mravenčí, a nabízí tak uhlíkově neutrální způsob výroby cenných materiálů.
Nové anabolické dráhy fixace oxidu uhličitého nejen pomáhají snižovat hladinu oxidu uhličitého v atmosféře, ale mohou také nahradit tradiční chemickou výrobu léčiv a aktivních složek uhlíkově neutrálními biologickými procesy. Nový výzkum ukazuje proces, kterým lze kyselinu mravenčí použít k přeměně oxidu uhličitého na materiál cenný pro biochemický průmysl.
Vzhledem k nárůstu emisí skleníkových plynů je sekvestrace uhlíku neboli sekvestrace oxidu uhličitého z velkých zdrojů emisí naléhavým problémem. V přírodě probíhá asimilace oxidu uhličitého již miliony let, ale její síla zdaleka nestačí k tomu, aby kompenzovala antropogenní emise.
Výzkumníci pod vedením Tobiase Erba z Ústavu terestrické mikrobiologie Maxe Plancka využívají přírodní nástroje k vývoji nových metod fixace oxidu uhličitého. Nyní se jim podařilo vyvinout umělou metabolickou dráhu, která produkuje vysoce reaktivní formaldehyd z kyseliny mravenčí, což je možný meziprodukt v umělé fotosyntéze. Formaldehyd může přímo vstupovat do několika metabolických drah za vzniku dalších cenných látek bez jakýchkoli toxických účinků. Stejně jako u přírodního procesu jsou zapotřebí dvě hlavní složky: energie a uhlík. První může být poskytnuta nejen přímým slunečním zářením, ale také elektřinou – například solárními moduly.
V hodnotovém řetězci jsou zdroje uhlíku variabilní. Oxid uhličitý zde není jedinou možností, hovoříme o všech jednotlivých sloučeninách uhlíku (stavební bloky C1): oxid uhelnatý, kyselina mravenčí, formaldehyd, methanol a metan. Téměř všechny tyto látky jsou však vysoce toxické, a to jak pro živé organismy (oxid uhelnatý, formaldehyd, methanol), tak pro planetu (metan jako skleníkový plyn). Teprve poté, co je kyselina mravenčí neutralizována na její zásaditý mravenčan, mnoho mikroorganismů toleruje její vysoké koncentrace.
„Kyselina mravenčí je velmi slibným zdrojem uhlíku,“ zdůrazňuje Maren Nattermannová, první autorka studie. „Její přeměna na formaldehyd in vitro je však energeticky velmi náročná.“ Je to proto, že formiát, sůl formiátu, se na formaldehyd snadno nepřeměňuje. „Mezi těmito dvěma molekulami existuje vážná chemická bariéra a než můžeme provést skutečnou reakci, musíme ji překonat s pomocí biochemické energie – ATP.“
Cílem výzkumníků bylo najít ekonomičtější způsob. Koneckonců, čím méně energie je potřeba k dodání uhlíku do metabolismu, tím více energie lze využít ke stimulaci růstu nebo produkce. V přírodě však takový způsob neexistuje. „Objev takzvaných hybridních enzymů s více funkcemi vyžadoval určitou kreativitu,“ říká Tobias Erb. „Objev kandidátních enzymů je však jen začátek. Mluvíme o reakcích, které lze spočítat dohromady, protože jsou velmi pomalé – v některých případech probíhá méně než jedna reakce za sekundu na enzym. Přirozené reakce mohou probíhat rychlostí, která je tisíckrát rychlejší.“ A zde přichází na řadu syntetická biochemie, říká Maren Nattermannová: „Pokud znáte strukturu a mechanismus enzymu, víte, kde zasáhnout. Byla velmi přínosná.“
Optimalizace enzymů zahrnuje několik přístupů: specializovanou výměnu stavebních bloků, generování náhodných mutací a výběr kapacity. „Mravenčan i formaldehyd jsou velmi vhodné, protože mohou pronikat buněčnými stěnami. Do buněčného kultivačního média můžeme přidat mravenčan, který produkuje enzym, jenž po několika hodinách přemění výsledný formaldehyd na netoxické žluté barvivo,“ řekl Maren. Vysvětlil Nattermann.
Výsledky v tak krátkém časovém období by nebyly možné bez použití vysoce výkonných metod. Za tímto účelem vědci spolupracovali s průmyslovým partnerem Festo v německém Esslingenu. „Po zhruba 4 000 variacích jsme čtyřnásobně zvýšili náš výtěžek,“ říká Maren Nattermannová. „Vytvořili jsme tak základ pro růst modelového mikroorganismu E. coli, mikrobiálního tahouna biotechnologie, na kyselině mravenčí. V současné době však naše buňky dokáží produkovat pouze formaldehyd a nemohou jej dále transformovat.“
Ve spolupráci se svým spolupracovníkem Sebastianem Winkem z Ústavu molekulární fyziologie rostlin vědci z Max Plancku v současné době vyvíjejí kmen, který dokáže přijímat meziprodukty a zavádět je do centrálního metabolismu. Zároveň tým provádí výzkum elektrochemické přeměny oxidu uhličitého na kyselinu mravenčí s pracovní skupinou v Ústavu chemické přeměny energie Maxe Plancka pod vedením Waltera Leitnera. Dlouhodobým cílem je „univerzální platforma“ od oxidu uhličitého produkovaného elektrobiochemickými procesy až po produkty, jako je inzulín nebo bionafta.
Zdroj: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu „Vývoj nové kaskády pro přeměnu fosfát-dependentního mravenčanu 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. května 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Domov nejlepších technologických zpráv od roku 1998. Zůstaňte v obraze s nejnovějšími technologickými zprávami prostřednictvím e-mailu nebo sociálních médií. > E-mailový přehled s bezplatným předplatným
Výzkumníci z laboratoří Cold Spring Harbor Laboratories zjistili, že SRSF1, protein regulující sestřih RNA, je ve slinivce břišní zvýšeně regulován.