Formiaati võib pidada süsinikneutraalse biomajanduse selgrooks, mida toodetakse CO2-st (elektro)keemiliste meetodite abil ja muudetakse lisandväärtusega toodeteks ensümaatiliste kaskaadide või konstrueeritud mikroorganismide abil. Oluline samm sünteetilise formiaadi assimilatsiooni laiendamisel on selle termodünaamiliselt keeruline formaldehüüdi redutseerimine, mis siin ilmneb kollase värvuse muutusena. Allikas: Max Planck/Geisel, Maapealse Mikrobioloogia Instituut.
Max Plancki Instituudi teadlased on loonud sünteetilise ainevahetusraja, mis muundab süsinikdioksiidi sipelghappe abil formaldehüüdiks, pakkudes süsinikneutraalset viisi väärtuslike materjalide tootmiseks.
Uued anaboolsed süsinikdioksiidi sidumise rajad mitte ainult ei aita vähendada atmosfääri süsinikdioksiidi taset, vaid võivad asendada ka traditsioonilise ravimite ja toimeainete keemilise tootmise süsinikneutraalsete bioloogiliste protsessidega. Uus uuring näitab protsessi, mille abil saab sipelghapet kasutada süsinikdioksiidi muundamiseks biokeemiatööstusele väärtuslikuks materjaliks.
Arvestades kasvuhoonegaaside heitkoguste suurenemist, on süsiniku sidumine ehk süsinikdioksiidi sidumine suurtest heiteallikatest pakiline küsimus. Looduses on süsinikdioksiidi assimileerimine toimunud juba miljoneid aastaid, kuid selle võimsus ei ole kaugeltki piisav, et kompenseerida inimtekkelisi heitkoguseid.
Maapealse mikrobioloogia instituudi Tobias Erbi juhitud Max Plancki teadlased kasutavad looduslikke vahendeid süsinikdioksiidi sidumise uute meetodite väljatöötamiseks. Nüüd on neil õnnestunud välja töötada kunstlik ainevahetusrada, mis toodab sipelghappest, mis on kunstliku fotosünteesi võimalik vaheühend, väga reaktiivset formaldehüüdi. Formaldehüüd võib siseneda otse mitmesse ainevahetusrada, moodustades teisi väärtuslikke aineid ilma toksiliste toimeta. Nagu loodusliku protsessi puhul, on vaja kahte peamist koostisosa: energiat ja süsinikku. Esimest saab lisaks otsesele päikesevalgusele ka elekter – näiteks päikesepaneelid.
Väärtusahelas on süsinikuallikad varieeruvad. Süsinikdioksiid ei ole siin ainus võimalus, me räägime kõigist üksikutest süsinikuühenditest (C1 ehitusplokid): süsinikmonooksiid, sipelghape, formaldehüüd, metanool ja metaan. Peaaegu kõik need ained on aga väga mürgised nii elusorganismidele (süsinikmonooksiid, formaldehüüd, metanool) kui ka planeedile (metaan kui kasvuhoonegaas). Alles pärast sipelghappe neutraliseerimist aluseliseks formiaadiks taluvad paljud mikroorganismid selle suuri kontsentratsioone.
„Sipelghape on väga paljutõotav süsinikuallikas,“ rõhutab uuringu esimene autor Maren Nattermann. „Kuid selle in vitro formaldehüüdiks muundamine on väga energiamahukas.“ See on tingitud asjaolust, et formiaati, formiaadi soola, ei muundu kergesti formaldehüüdiks. „Nende kahe molekuli vahel on tõsine keemiline barjäär ja enne kui saame läbi viia tõelise reaktsiooni, peame selle biokeemilise energia – ATP – abil ületama.“
Teadlaste eesmärk oli leida säästlikum viis. Lõppude lõpuks, mida vähem energiat on vaja süsiniku ainevahetusse suunamiseks, seda rohkem energiat saab kasutada kasvu või tootmise stimuleerimiseks. Kuid looduses sellist viisi pole. „Niinimetatud mitme funktsiooniga hübriidsete ensüümide avastamine nõudis teatavat loovust,“ ütleb Tobias Erb. „Kandidaat-ensüümide avastamine on aga alles algus. Me räägime reaktsioonidest, mida saab kokku lugeda, kuna need on väga aeglased – mõnel juhul toimub ensüümi kohta vähem kui üks reaktsioon sekundis. Looduslikud reaktsioonid võivad toimuda tuhat korda kiiremini.“ Siin tulebki mängu sünteetiline biokeemia, ütleb Maren Nattermann: „Kui teate ensüümi struktuuri ja mehhanismi, teate, kus sekkuda. Sellest on olnud palju kasu.“
Ensüümide optimeerimine hõlmab mitut lähenemisviisi: spetsiaalset ehitusplokkide vahetamist, juhuslike mutatsioonide genereerimist ja mahutavuse valimist. „Nii formaat kui ka formaldehüüd on väga sobivad, kuna nad suudavad tungida läbi rakuseinte. Me saame lisada formaati rakukultuuri söötmesse, mis toodab ensüümi, mis muudab saadud formaldehüüdi mõne tunni pärast mittetoksiliseks kollaseks värvaineks,“ ütles Maren. Nattermann selgitas.
Ilma suure läbilaskevõimega meetoditeta poleks nii lühikese aja jooksul tulemusi saavutatud. Selleks tegid teadlased koostööd tööstuspartneri Festoga Esslingenis Saksamaal. „Pärast umbes 4000 variatsiooni neljakordistasime oma saagikust,“ ütleb Maren Nattermann. „Seega oleme loonud aluse biotehnoloogia mikroobse tööhobuse, mudelmikroorganismi E. coli, kasvuks sipelghappel. Praegu suudavad meie rakud aga toota ainult formaldehüüdi ja ei saa edasi transformeeruda.“
Koostöös oma kaastöötaja Sebastian Winkiga Taimemolekulaarfüsioloogia Instituudist töötavad Max Plancki teadlased praegu välja tüve, mis suudab omastada vaheühendeid ja viia need tsentraalsesse ainevahetusse. Samal ajal viib meeskond Walter Leitneri juhtimisel Keemilise Energia Muundamise Instituudi töörühmaga läbi uuringuid süsinikdioksiidi elektrokeemilise muundamise kohta sipelghappeks. Pikaajaline eesmärk on luua „üks suurus sobib kõigile“ platvorm, mis võimaldaks elektrobiokeemiliste protsesside abil toodetud süsinikdioksiidist toota selliseid tooteid nagu insuliin või biodiisel.
Viide: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu „Uue kaskaadi väljatöötamine fosfaadist sõltuva formiaadi muundamiseks formaldehüüdiks in vitro ja in vivo“, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez ja Tobias J. Erb, 9. mai 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Parimad tehnoloogiauudised alates 1998. aastast. Püsige kursis viimaste tehnoloogiauudistega e-posti või sotsiaalmeedia kaudu. > E-posti kokkuvõte tasuta tellimusega
Cold Spring Harbor Laboratories'i teadlased leidsid, et SRSF1, valk, mis reguleerib RNA splaissingut, on kõhunäärmes ülesreguleeritud.