Format, karbon nötr bir biyoekonominin omurgası olarak görülebilir; CO2'den (elektro)kimyasal yöntemlerle üretilir ve enzimatik kademeler veya mühendislik ürünü mikroorganizmalar kullanılarak katma değerli ürünlere dönüştürülür. Sentetik formatın asimilasyonunu genişletmede önemli bir adım, termodinamik olarak karmaşık olan formaldehitin indirgenmesidir; bu da burada sarı renk değişimi olarak görünmektedir. Kaynak: Max Planck/Geisel Karasal Mikrobiyoloji Enstitüsü.
Max Planck Enstitüsü'ndeki bilim insanları, formik asit yardımıyla karbondioksiti formaldehite dönüştüren sentetik bir metabolik yol oluşturarak, değerli malzemeler üretmenin karbon nötr bir yolunu sundular.
Karbondioksit fiksasyonu için yeni anabolik yollar, yalnızca atmosferdeki karbondioksit seviyelerini düşürmeye yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda ilaçların ve aktif bileşenlerin geleneksel kimyasal üretimini karbon nötr biyolojik süreçlerle de değiştirebilir. Yeni araştırmalar, formik asidin karbondioksiti biyokimyasal endüstri için değerli bir maddeye dönüştürmek için nasıl kullanılabileceğini gösteren bir süreci ortaya koymaktadır.
Sera gazı emisyonlarındaki artış göz önüne alındığında, karbon tutma veya büyük emisyon kaynaklarından karbondioksit tutma acil bir sorundur. Doğada karbondioksit özümlemesi milyonlarca yıldır devam etmektedir, ancak gücü insan kaynaklı emisyonları telafi etmekten çok uzaktır.
Max Planck Yeraltı Mikrobiyolojisi Enstitüsü'nden Tobias Erb liderliğindeki araştırmacılar, karbondioksiti sabitlemek için yeni yöntemler geliştirmek amacıyla doğal araçlar kullanıyorlar. Yapay fotosentezde olası bir ara madde olan formik asitten oldukça reaktif formaldehit üreten yapay bir metabolik yol geliştirmeyi başardılar. Formaldehit, herhangi bir toksik etki olmaksızın diğer değerli maddeleri oluşturmak için doğrudan çeşitli metabolik yollara girebilir. Doğal bir süreçte olduğu gibi, iki ana bileşen gereklidir: enerji ve karbon. İlki sadece doğrudan güneş ışığıyla değil, elektrikle de sağlanabilir - örneğin, güneş panelleriyle.
Değer zincirinde karbon kaynakları değişkendir. Burada tek seçenek karbondioksit değildir; karbonmonoksit, formik asit, formaldehit, metanol ve metan gibi tüm bireysel karbon bileşiklerinden (C1 yapı taşları) bahsediyoruz. Ancak bu maddelerin neredeyse tamamı hem canlı organizmalar (karbonmonoksit, formaldehit, metanol) hem de gezegen (sera gazı olarak metan) için oldukça zehirlidir. Formik asit, temel formuna nötralize edildikten sonra birçok mikroorganizma yüksek konsantrasyonlarına tolerans gösterebilir.
Çalışmanın baş yazarı Maren Nattermann, “Formik asit çok umut vadeden bir karbon kaynağıdır,” diye vurguluyor. “Ancak onu in vitro olarak formaldehite dönüştürmek çok enerji yoğun bir süreçtir.” Bunun nedeni, formatın tuzu olan formatın formaldehite kolayca dönüştürülememesidir. “Bu iki molekül arasında ciddi bir kimyasal bariyer vardır ve gerçek bir reaksiyon gerçekleştirebilmemiz için biyokimyasal enerji – ATP – yardımıyla bu bariyeri aşmalıyız.”
Araştırmacıların amacı daha ekonomik bir yol bulmaktı. Sonuçta, metabolizmaya karbon beslemek için ne kadar az enerji gerekiyorsa, büyüme veya üretimi teşvik etmek için o kadar çok enerji kullanılabilir. Ancak doğada böyle bir yol yok. Tobias Erb, “Çoklu işlevlere sahip sözde hibrit enzimlerin keşfi biraz yaratıcılık gerektirdi” diyor. “Ancak aday enzimlerin keşfi sadece başlangıç. Çok yavaş oldukları için bir araya sayılabilecek reaksiyonlardan bahsediyoruz; bazı durumlarda, enzim başına saniyede birden az reaksiyon gerçekleşiyor. Doğal reaksiyonlar bin kat daha hızlı gerçekleşebilir.” İşte burada sentetik biyokimya devreye giriyor, diyor Maren Nattermann: “Bir enzimin yapısını ve mekanizmasını biliyorsanız, nerede müdahale edeceğinizi de bilirsiniz. Bu büyük fayda sağladı.”
Enzim optimizasyonu çeşitli yaklaşımları içerir: özel yapı taşı değişimi, rastgele mutasyon üretimi ve kapasite seçimi. Maren, "Hem format hem de formaldehit çok uygundur çünkü hücre duvarlarına nüfuz edebilirler. Hücre kültürü ortamına format ekleyebiliriz; bu da birkaç saat sonra ortaya çıkan formaldehiti toksik olmayan sarı bir boyaya dönüştüren bir enzim üretir," dedi. Nattermann da bunu açıkladı.
Bu kadar kısa sürede elde edilen sonuçlar, yüksek verimli yöntemler kullanılmadan mümkün olmazdı. Bunu başarmak için araştırmacılar, Almanya'nın Esslingen kentindeki endüstriyel ortak Festo ile işbirliği yaptı. Maren Nattermann, "Yaklaşık 4.000 varyasyondan sonra verimimizi dört katına çıkardık," diyor. "Böylece, biyoteknolojinin mikrobiyal iş gücü olan model mikroorganizma E. coli'nin formik asit üzerinde büyümesinin temelini oluşturduk. Ancak şu anda hücrelerimiz sadece formaldehit üretebiliyor ve daha fazla dönüşüm gerçekleştiremiyor."
Max Planck araştırmacıları, Bitki Moleküler Fizyolojisi Enstitüsü'nden işbirlikçisi Sebastian Wink ile birlikte, ara ürünleri alıp merkezi metabolizmaya dahil edebilen bir bakteri türü geliştiriyorlar. Aynı zamanda, ekip, Kimyasal Enerji Dönüşümü Enstitüsü'nde Walter Leitner'in yönetimindeki bir çalışma grubuyla birlikte, karbondioksitin formik aside elektrokimyasal dönüşümü üzerine araştırmalar yürütüyor. Uzun vadeli hedef, elektrobiyokimyasal süreçlerle üretilen karbondioksitten insülin veya biyodizel gibi ürünlere kadar "her şeye uygun bir platform" oluşturmaktır.
Referans: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “İn vitro ve in vivo olarak fosfat bağımlı formatın formaldehite dönüştürülmesi için yeni bir kademe geliştirilmesi”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez ve Tobias J. Erb, 9 Mayıs 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: 1998'den beri en iyi teknoloji haberlerinin adresi. E-posta veya sosyal medya aracılığıyla en son teknoloji haberlerinden haberdar olun. > Ücretsiz abonelikle e-posta özeti
Cold Spring Harbor Laboratuvarları'ndaki araştırmacılar, RNA eklenmesini düzenleyen bir protein olan SRSF1'in pankreasta yüksek düzeyde ifade edildiğini buldu.