Новый процесс превращает углекислый газ в ценный материал для биохимической промышленности с помощью муравьиной кислоты

Новости сегодня - Новый процесс превращает углекислый газ в ценный материал для биохимической промышленности с помощью муравьиной кислоты

Новые синтетические метаболические пути фиксации углекислого газа могут не только помочь снизить содержание углекислого газа в атмосфере, но и заменить традиционные химические процессы производства фармацевтических препаратов и активных ингредиентов углеродно-нейтральными биологическими процессами. Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, демонстрирует процесс, который может превращать углекислый газ в ценный материал для биохимической промышленности с помощью муравьиной кислоты.

Ввиду роста выбросов парниковых газов улавливание углерода, улавливание двуокиси углерода из крупных источников выбросов, является неотложной задачей . В природе ассимиляция углекислого газа происходит уже миллионы лет, но ее мощность далеко не достаточна для компенсации техногенных выбросов.

Исследователи во главе с Тобиасом Эрбом из Института наземной микробиологии им. Макса Планка используют природный инструментарий для разработки новых способов связывания углекислого газа. Теперь им удалось разработать искусственный метаболический путь, который производит высокореактивный формальдегид из муравьиной кислоты, возможного промежуточного продукта искусственного фотосинтеза. Формальдегид может быть использован непосредственно в нескольких метаболических путях для образования других ценных веществ без каких-либо токсических эффектов. Как и в естественном процессе , необходимы два основных компонента: энергия и углерод. Первое может быть обеспечено не только прямыми солнечными лучами, но и электричеством, например, от солнечных модулей.

Муравьиная кислота является строительным блоком С1.

В цепочке создания добавленной стоимости источник углерода является переменным. углекислый газ здесь не единственный вариант, все моноуглероды (строительные блоки С1) ставятся под вопрос: окись углерода, муравьиная кислота, формальдегид, метанол и метан. Однако почти все эти вещества высокотоксичны — либо для живых организмов ( окись углерода , формальдегид, метанол), либо для планеты (метан как парниковый газ). Только муравьиная кислота при нейтрализации до ее основного формиата переносится многими микроорганизмами в высоких концентрациях.

«Муравьиная кислота — очень многообещающий источник углерода», — говорит Марен Наттерманн, первый автор исследования. «Но преобразование его в формальдегид в пробирке довольно энергозатратно». Это связано с тем, что соль муравьиной кислоты, формиат, не может быть легко преобразована в формальдегид. «Между двумя молекулами существует серьезный химический барьер, который мы должны преодолеть с помощью биохимической энергии, прежде чем мы сможем провести настоящую реакцию».

Целью исследователя было найти более экономичный способ. В конце концов, чем меньше энергии требуется для подачи углерода в метаболизм, тем больше энергии остается для стимулирования роста или производства. Но такого пути в природе не существует. «Чтобы обнаружить так называемые неразборчивые ферменты с множеством функций, требуется некоторая изобретательность», — говорит Тобиас Эрб. «Однако открытие ферментов-кандидатов — это только начало. Мы говорим о реакциях, которые можно сосчитать, поскольку они очень медленные — в некоторых случаях менее одной реакции в секунду на фермент. Естественные реакции могут происходить в тысячу раз быстрее».

Вот где на помощь приходит синтетическая биохимия, говорит Марен Наттерманн. «Если вы знаете структуру и механизм фермента, вы знаете, где нужно вмешаться. Здесь мы значительно выигрываем от предварительной работы наших коллег по фундаментальным исследованиям».

Высокопроизводительная технология ускоряет оптимизацию ферментов

Оптимизация ферментов включала несколько подходов: производился специальный обмен строительными блоками, генерировались случайные мутации и отбирались по их возможностям. «И формиат, и формальдегид прекрасно подходят, потому что они проникают через клеточные стенки. Мы можем поместить формиат в культуральную среду клеток, вырабатывающих наши ферменты, и через несколько часов преобразовать полученный формальдегид в нетоксичный желтый краситель», — объясняет Марен Наттерманн.

Результат был бы невозможен за столь короткое время без использования высокопроизводительных методов. Для этого исследователи сотрудничали со своим промышленным партнером Festo из Эсслингена, Германия. «После примерно 4000 вариантов мы добились четырехкратного улучшения производства», — говорит Марен Наттерманн. «Таким образом, мы создали основу для модели микроба Escherichia coli, микробной рабочей лошадки биотехнологии, для выращивания на муравьиной кислоте. Однако пока наши клетки могут только производить формальдегид, а не преобразовывать его дальше».

Вместе с партнером по сотрудничеству Себастьяном Венком из Института молекулярной физиологии растений им. Макса Планка исследователи в настоящее время разрабатывают штамм, который может поглощать промежуточные продукты и вводить их в центральный метаболизм. Параллельно команда проводит исследования с рабочей группой Института химического преобразования энергии им. Макса Планка во главе с Вальтером Лейтнером по электрохимическому превращению углекислого газа в муравьиную кислоту . Долгосрочная цель — «универсальная платформа» — от диоксида углерода через электробиохимический процесс до таких продуктов, как инсулин или биодизель.

Новости партнеров: