Με φορμικό οξύ προς ουδετερότητα διοξειδίου του άνθρακα

Νέες συνθετικές μεταβολικές οδοί για τη στερέωση του διοξειδίου του άνθρακα θα μπορούσαν όχι μόνο να βοηθήσουν στη μείωση της περιεκτικότητας σε διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας, αλλά και να αντικαταστήσουν τις συμβατικές χημικές διαδικασίες παρασκευής φαρμακευτικών προϊόντων και ενεργών συστατικών με βιολογικές διεργασίες ουδέτερες ως προς τον άνθρακα. Μια νέα μελέτη καταδεικνύει μια διαδικασία που μπορεί να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε πολύτιμο υλικό για τη βιοχημική βιομηχανία μέσω φορμικού οξέος.

Λόγω των αυξανόμενων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, η δέσμευση άνθρακα, η δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα από μεγάλες πηγές εκπομπών, είναι ένα επείγον ζήτημα. Στη φύση, η αφομοίωση του διοξειδίου του άνθρακα λαμβάνει χώρα εδώ και εκατομμύρια χρόνια, αλλά η ικανότητά του δεν είναι επαρκής για να αντισταθμίσει τις ανθρωπογενείς εκπομπές.

Ερευνητές με επικεφαλής τον Tobias Erb στο Ινστιτούτο Max Planck για την Επίγεια Μικροβιολογία χρησιμοποιούν την εργαλειοθήκη της φύσης για να αναπτύξουν νέους τρόπους δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα. Τώρα έχουν καταφέρει να αναπτύξουν ένα τεχνητό μεταβολικό μονοπάτι που παράγει την εξαιρετικά δραστική φορμαλδεΰδη από φορμικό οξύ, ένα πιθανό ενδιάμεσο προϊόν της τεχνητής φωτοσύνθεσης. Η φορμαλδεΰδη θα μπορούσε να τροφοδοτηθεί απευθείας σε διάφορες μεταβολικές οδούς για να σχηματίσει άλλες πολύτιμες ουσίες χωρίς τοξικές επιδράσεις. Όπως και στη φυσική διαδικασία, απαιτούνται δύο κύρια συστατικά: Ενέργεια και άνθρακας. Το πρώτο μπορεί να παρέχεται όχι μόνο από το άμεσο ηλιακό φως αλλά και από ηλεκτρική ενέργεια — για παράδειγμα από ηλιακές μονάδες.

Το φορμικό οξύ είναι ένα δομικό στοιχείο C1

Εντός της αλυσίδας προστιθέμενης αξίας, η πηγή άνθρακα είναι μεταβλητή. Το διοξείδιο του άνθρακα δεν είναι η μόνη επιλογή εδώ, όλοι οι μονοάνθρακες (δομικά στοιχεία C1) αμφισβητούνται: μονοξείδιο του άνθρακα, φορμικό οξύ, φορμαλδεΰδη, μεθανόλη και μεθάνιο. Ωστόσο, σχεδόν όλες αυτές οι ουσίες είναι εξαιρετικά τοξικές — είτε για τους ζωντανούς οργανισμούς (μονοξείδιο του άνθρακα, φορμαλδεΰδη, μεθανόλη) είτε για τον πλανήτη (μεθάνιο ως αέριο του θερμοκηπίου). Μόνο το φορμικό οξύ, όταν εξουδετερώνεται στη μυρμηκική βάση του, είναι ανεκτό από πολλούς μικροοργανισμούς σε υψηλές συγκεντρώσεις.

«Το φορμικό οξύ είναι μια πολλά υποσχόμενη πηγή άνθρακα», τονίζει η Maren Nattermann, η πρώτη συγγραφέας της μελέτης. «Αλλά η μετατροπή του σε φορμαλδεΰδη στον δοκιμαστικό σωλήνα είναι αρκετά ενεργοβόρα». Αυτό συμβαίνει επειδή το άλας του φορμικού οξέος, το φορμικό, δεν μπορεί να μετατραπεί εύκολα σε φορμαλδεΰδη. “Υπάρχει ένα σοβαρό χημικό εμπόδιο μεταξύ των δύο μορίων που πρέπει να γεφυρώσουμε με βιοχημική ενέργεια — ATP — πριν μπορέσουμε να εκτελέσουμε την πραγματική αντίδραση“.

Στόχος του ερευνητή ήταν να βρει έναν πιο οικονομικό τρόπο. Εξάλλου, όσο λιγότερη ενέργεια χρειάζεται για να τροφοδοτήσει τον άνθρακα στον μεταβολισμό, τόσο περισσότερη ενέργεια απομένει για να οδηγήσει την ανάπτυξη ή την παραγωγή. Όμως τέτοιο μονοπάτι δεν υπάρχει στη φύση. «Χρειάζεται λίγη δημιουργικότητα για να ανακαλύψεις τα λεγόμενα αδιάκριτα ένζυμα με πολλαπλές λειτουργίες», λέει ο Tobias Erb. «Ωστόσο, η ανακάλυψη υποψήφιων ενζύμων είναι μόνο η αρχή. Μιλάμε για αντιδράσεις που μπορείτε να μετρήσετε καθώς είναι τόσο αργές — σε ορισμένες περιπτώσεις, λιγότερο από μία αντίδραση ανά δευτερόλεπτο ανά ένζυμο. Φυσικές αντιδράσεις μπορούν να συμβούν χίλιες φορές πιο γρήγορα». Εδώ έρχεται η συνθετική βιοχημεία, λέει η Maren Nattermann: “Εάν γνωρίζετε τη δομή και τον μηχανισμό ενός ενζύμου, ξέρετε πού να παρέμβετε. Εδώ, επωφελούμαστε σημαντικά από την προκαταρκτική εργασία των συναδέλφων μας στη βασική έρευνα“.

Η τεχνολογία υψηλής απόδοσης επιταχύνει τη βελτιστοποίηση των ενζύμων

Η βελτιστοποίηση των ενζύμων περιλάμβανε διάφορες προσεγγίσεις: οι δομικές μονάδες ανταλλάχθηκαν ειδικά και δημιουργήθηκαν τυχαίες μεταλλάξεις και επιλέχθηκαν για ικανότητα. “Το φορμικό και η φορμαλδεΰδη ταιριάζουν υπέροχα επειδή διεισδύουν στα κυτταρικά τοιχώματα. Μπορούμε να βάλουμε φορμικό στο μέσο καλλιέργειας των κυττάρων που παράγουν τα ένζυμα μας και μετά από μερικές ώρες να μετατρέψουμε τη φορμαλδεΰδη που παράγεται σε μια μη τοξική κίτρινη βαφή“, εξηγεί η Maren Nattermann.

Το αποτέλεσμα δεν θα ήταν δυνατό σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα χωρίς τη χρήση μεθόδων υψηλής απόδοσης. Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με τον βιομηχανικό εταίρο τους Festo, με έδρα το Έσλινγκεν της Γερμανίας. «Μετά από περίπου 4000 παραλλαγές, πετύχαμε τετραπλάσια βελτίωση στην παραγωγή», λέει η Maren Nattermann. “Έτσι δημιουργήσαμε τη βάση για το μοντέλο mikrobe Escherichia coli, το μικροβιακό άλογο της βιοτεχνολογίας, να αναπτυχθεί με φορμικό οξύ. Προς το παρόν, ωστόσο, τα κύτταρά μας μπορούν να παράγουν μόνο φορμαλδεΰδη, όχι να τη μετατρέψουν περαιτέρω“.

Με τον συνεργάτη Sebastian Wenk στο Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, οι ερευνητές αναπτύσσουν επί του παρόντος ένα στέλεχος που μπορεί να προσλάβει τα ενδιάμεσα και να τα εισαγάγει στον κεντρικό μεταβολισμό. Παράλληλα, η ομάδα διεξάγει έρευνα με μια ομάδα εργασίας στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Μετατροπή Χημικής Ενέργειας με επικεφαλής τον Walter Leitner σχετικά με την ηλεκτροχημική μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε μυρμηκικό οξύ. Ο μακροπρόθεσμος στόχος είναι μια «πλατφόρμα όλα σε ένα» — από το διοξείδιο του άνθρακα μέσω μιας ηλεκτροβιοχημικής διαδικασίας έως προϊόντα όπως η ινσουλίνη ή το βιοντίζελ.

Επιστημονικό Άρθρο:

Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwan Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Fayin Zhu, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Paczia, Nina Gaißert, Giancarlo Franciò, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, Tobias J. Erb. Engineering a new-to-nature cascade for phosphate-dependent formate to formaldehyde conversion in vitro and in vivo. Nature Communications, 2023