یک مطالعه جدید فرآیندی را نشان می دهد که می تواند دی اکسید کربن را از طریق اسید فرمیک به ماده ای ارزشمند برای صنعت بیوشیمیایی تبدیل کند.
به گزارش تکناک، مسیرهای متابولیک مصنوعی جدید برای تثبیت دی اکسید کربن نه تنها می تواند به کاهش آن در اتمسفر کمک کند، بلکه فرآیندهای سنتی تولید شیمیایی برای داروها و مواد فعال را متحول می کند.
با توجه به افزایش انتشار گازهای گلخانه ای، جذب کربن و جداسازی دی اکسید کربن از منابع بزرگ انتشار یک مسئله مهم است. در طبیعت، جذب دی اکسید کربن میلیون‌ها سال است که انجام می‌شود، اما ظرفیت آن برای جبران انتشارات ساخته‌شده توسط انسان کافی نیست.
محققان به رهبری توبیاس ارب در مؤسسه میکروبیولوژی ماکس پلانک با الهام از طبیعت راه های جدیدی برای تثبیت دی اکسید کربن ایجاد کردند. آنها اکنون موفق به ایجاد یک مسیر متابولیک مصنوعی شده اند که فرمالدئید بسیار واکنش پذیر را از اسید فرمیک تولید می کند، که محصول حدواسط احتمالی فتوسنتز مصنوعی است. فرمالدئید می تواند مستقیماً به چندین مسیر متابولیک وارد شود تا مواد ارزشمند دیگری را بدون هیچ گونه اثرات سمی تشکیل دهد. مانند فرآیند طبیعی، در فتوسنتز مصنوعی نیز دو جزء اصلی مورد نیاز است: انرژی و کربن. اولی را می توان نه تنها با نور مستقیم خورشید، بلکه با برق به عنوان مثال از ماژول های خورشیدی تامین کرد.
اسید فرمیک یک ترکیب بلوک های ساختاری C1 است
در زنجیره ارزش افزوده، منبع کربن متغیر است. دی اکسید کربن در اینجا تنها گزینه نیست، همه مونوکربن ها (بلوک های ساختاری C1) شامل مونوکسید کربن، اسید فرمیک، فرمالدئید، متانول و متان می توانند گزینه مورد نظر باشند. با این حال، تقریباً همه این مواد بسیار سمی هستند. تنها اسید فرمیک، هنگامی که در فرم پایه خود خنثی می شود، توسط بسیاری از میکروارگانیسم ها در غلظت های بالا قابل استفاده می شود.
مارن ناترمن، نویسنده اول این مطالعه، تأکید می کند: اسید فرمیک یک منبع کربن بسیار امیدوارکننده است. اما تبدیل آن به فرمالدئید در لوله آزمایش کاملاً انرژی بر است. این به این دلیل است که نمک اسید فرمیک (فرمات)، نمی تواند به راحتی به فرمالدئید تبدیل شود. یک مانع شیمیایی جدی بین دو مولکول وجود دارد و قبل از اینکه بتوانیم واکنش واقعی را انجام دهیم، باید با انرژی بیوشیمیایی (ATP) پل بزنیم.
هدف محقق یافتن راهی مقرون به صرفه تر بود. به هر حال، هر چه انرژی کمتری برای صرف کربن در متابولیسم لازم باشد، انرژی بیشتری برای رشد یا تولید باقی می‌ماند. اما چنین مسیری در طبیعت وجود ندارد. توبیاس ارب می‌گوید: کشف آنزیم‌های به اصطلاح بی قاعده با عملکردهای چندگانه نیاز به خلاقیت دارد. با این حال، کشف آنزیم های کاندید تنها آغاز راه است. ما در مورد واکنش هایی صحبت می کنیم که می توانید آنها بشمارید زیرا آنها بسیار کند هستند. در برخی موارد کمتر از یک واکنش در ثانیه برای هر آنزیم. واکنش‌های طبیعی می‌توانند هزاران بار سریع‌تر اتفاق بیفتند. مارن ناترمن می‌گوید: اگر ساختار و مکانیسم آنزیم را بشناسید، می‌دانید که کجا باید مداخله کنید، اینجاست که بیوشیمی مصنوعی وارد می‌شود. در اینجا، ما به طور قابل توجهی از کارهای اولیه همکارانمان در تحقیقات پایه بهره مند می شویم.
افزایش سرعت بهینه سازی آنزیم
بهینه‌سازی آنزیم‌ها شامل چندین رویکرد بود: بلوک‌های ساختاری به طور خاص مبادله شدند، سپس جهش‌های تصادفی ایجاد شده و بر اساس قابلیت انتخاب شدند. فرمات و فرمالدئید هر دو بسیار مناسب هستند زیرا به دیواره های سلولی نفوذ می کنند. ما می‌توانیم فرمات را در محیط کشت سلول‌هایی قرار دهیم که آنزیم‌های ما را تولید می‌کنند و پس از چند ساعت فرمالدئید تولید شده را به شکل رنگ زرد و غیرسمی تبدیل کنیم.
بدون استفاده از روش های با پربازده بالا، نتیجه در این مدت کوتاه میسر نمی شد. برای رسیدن به این هدف، محققان با شریک صنعتی خود Festo، مستقر در Esslingen، آلمان همکاری کردند. مارن ناترمن می گوید: پس از حدود 4000 نوع، ما به افزایش بازده چهار برابری در تولید دست یافتیم. بنابراین ما مبنایی را برای میکروب مدل Escherichia coli، ایجاد کردیم تا روی اسید فرمیک رشد کند. با این حال، در حال حاضر سلول های ما فقط می توانند فرمالدئید تولید کنند، و آنها را به ترکیبات بعدی تبدیل نمیکنند.
با شریک همکاری سباستین ونک در مؤسسه فیزیولوژی مولکولی گیاهان ماکس پلانک، محققان در حال حاضر در حال توسعه سویه‌ای هستند که می‌تواند واسطه‌ها را بگیرد و آنها را وارد متابولیسم مرکزی کند. به موازات آن، این تیم، تحقیقاتی را با یک گروه کاری در موسسه ماکس پلانک برای تبدیل انرژی شیمیایی به سرپرستی والتر لایتنر در مورد تبدیل الکتروشیمیایی دی اکسید کربن به اسید فرمیک انجام می دهد. هدف بلندمدت یک پلتفرم همه کاره است که شامل دی اکسید کربن از طریق یک فرآیند الکتروبیوشیمیایی تا محصولاتی مانند انسولین یا بیودیزل.
زیر نویس شکل
فرمات را می توان در هسته یک اقتصاد زیستی از کربن خنثی تصور کرد، جایی که از CO2 توسط ابزارهای (الکترو) شیمیایی تولید می شود و توسط آبشارهای آنزیمی یا میکروب های مهندسی شده به محصولات با ارزش افزوده تبدیل می شود. یک گام کلیدی در گسترش جذب فرمات مصنوعی، کاهش ترمودینامیکی چالش برانگیز آن به فرمالدئید است که در اینجا به صورت تغییر رنگ زرد قابل مشاهده است.
