Фарміят можна разглядаць як аснову вугляродна-нейтральнай біяэканомікі, якая вырабляецца з CO2 з выкарыстаннем (электра)хімічных метадаў і пераўтвараецца ў прадукты з дабаўленай вартасцю з дапамогай ферментатыўных каскадаў або штучна створаных мікраарганізмаў. Важным крокам у пашырэнні засваення сінтэтычнага фарміяту з'яўляецца яго тэрмадынамічна складанае аднаўленне фармальдэгіду, якое тут праяўляецца ў выглядзе змены жоўтага колеру. Крыніца: Інстытут наземнай мікрабіялогіі Макса Планка/Гейзеля.
Навукоўцы з Інстытута Макса Планка стварылі сінтэтычны метабалічны шлях, які пераўтварае вуглякіслы газ у фармальдэгід з дапамогай мурашынай кіслаты, прапаноўваючы вугляродна-нейтральны спосаб вытворчасці каштоўных матэрыялаў.
Новыя анабалічныя шляхі фіксацыі вуглякіслага газу не толькі дапамагаюць знізіць узровень вуглякіслага газу ў атмасферы, але і могуць замяніць традыцыйную хімічную вытворчасць фармацэўтычных прэпаратаў і актыўных інгрэдыентаў вугляродна-нейтральнымі біялагічнымі працэсамі. Новае даследаванне дэманструе працэс, з дапамогай якога мурашыная кіслата можа быць выкарыстана для пераўтварэння вуглякіслага газу ў матэрыял, каштоўны для біяхімічнай прамысловасці.
Улічваючы рост выкідаў парніковых газаў, актуальнай праблемай з'яўляецца секвестрацыя вугляроду або секвестрацыя вуглякіслага газу з буйных крыніц выкідаў. У прыродзе асіміляцыя вуглякіслага газу адбываецца ўжо мільёны гадоў, але яе магутнасці далёка не дастаткова, каб кампенсаваць антрапагенныя выкіды.
Даследчыкі пад кіраўніцтвам Тобіяса Эрба з Інстытута наземнай мікрабіялогіі імя Макса Планка выкарыстоўваюць прыродныя інструменты для распрацоўкі новых метадаў фіксацыі вуглякіслага газу. Цяпер ім удалося распрацаваць штучны метабалічны шлях, які вырабляе высокарэактыўны фармальдэгід з мурашынай кіслаты, магчымага прамежкавага прадукту ў штучным фотасінтэзе. Фармальдэгід можа непасрэдна ўступаць у некалькі метабалічных шляхоў, утвараючы іншыя каштоўныя рэчывы без якіх-небудзь таксічных эфектаў. Як і ў натуральным працэсе, патрабуюцца два асноўныя інгрэдыенты: энергія і вуглярод. Першы можа быць забяспечаны не толькі прамым сонечным святлом, але і электрычнасцю — напрыклад, сонечнымі модулямі.
У ланцужку стварэння каштоўнасці крыніцы вугляроду зменлівыя. Вуглякіслы газ тут не адзіны варыянт, гаворка ідзе пра ўсе асобныя вугляродныя злучэнні (будаўнічыя блокі C1): аксід вугляроду, мурашыная кіслата, фармальдэгід, метанол і метан. Аднак амаль усе гэтыя рэчывы вельмі таксічныя як для жывых арганізмаў (аксід вугляроду, фармальдэгід, метанол), так і для планеты (метан як парніковы газ). Толькі пасля нейтралізацыі мурашынай кіслаты да яе асноўнага фарыяту многія мікраарганізмы пераносяць яе высокія канцэнтрацыі.
«Мурашыная кіслата — вельмі перспектыўная крыніца вугляроду», — падкрэслівае Марэн Натэрман, першы аўтар даследавання. «Але пераўтварэнне яе ў фармальдэгід in vitro вельмі энергаёмістае». Гэта звязана з тым, што фарыят, соль фарыяту, не так лёгка пераўтвараецца ў фармальдэгід. «Паміж гэтымі двума малекуламі існуе сур'ёзны хімічны бар'ер, і перш чым мы зможам правесці рэальную рэакцыю, мы павінны пераадолець яго з дапамогай біяхімічнай энергіі — АТФ».
Мэтай даследчыкаў было знайсці больш эканамічны спосаб. У рэшце рэшт, чым менш энергіі патрабуецца для падачы вугляроду ў метабалізм, тым больш энергіі можна выкарыстаць для стымуляцыі росту або вытворчасці. Але ў прыродзе такога спосабу няма. «Адкрыццё так званых гібрыдных ферментаў з некалькімі функцыямі патрабавала пэўнай творчасці», — кажа Тобіяс Эрб. «Аднак адкрыццё кандыдатаў на ферменты — гэта толькі пачатак. Гаворка ідзе пра рэакцыі, якія можна лічыць разам, таму што яны вельмі павольныя — у некаторых выпадках на адзін фермент адбываецца менш за адну рэакцыю ў секунду. Натуральныя рэакцыі могуць працякаць з хуткасцю, якая ў тысячу разоў хутчэй». Вось тут і прыходзіць на дапамогу сінтэтычная біяхімія, кажа Марэн Натэрман: «Калі вы ведаеце структуру і механізм фермента, вы ведаеце, куды ўмяшацца. Гэта прынесла вялікую карысць».
Аптымізацыя ферментаў уключае некалькі падыходаў: спецыялізаваны абмен будаўнічымі блокамі, генерацыю выпадковых мутацый і адбор ёмістасці. «Як фарыят, так і фармальдэгід вельмі падыходзяць, таму што яны могуць пранікаць праз клеткавыя сценкі. Мы можам дадаць фарыят у асяроддзе для культывавання клетак, якое выпрацоўвае фермент, які ператварае атрыманы фармальдэгід у нетаксічны жоўты фарбавальнік праз некалькі гадзін», — сказаў Марэн. Натэрман растлумачыў.
Вынікі за такі кароткі прамежак часу былі б немагчымыя без выкарыстання высокапрадукцыйных метадаў. Для гэтага даследчыкі супрацоўнічалі з прамысловым партнёрам Festo ў Эслінгене, Германія. «Пасля прыкладна 4000 варыяцый мы павялічылі наш выхад у чатыры разы», ​​— кажа Марэн Натэрман. «Такім чынам, мы стварылі аснову для вырошчвання мадэльнага мікраарганізма E. coli, мікробнай рабочай коніцы біятэхналогіі, на мурашынай кіслаце. Аднак на дадзены момант нашы клеткі могуць выпрацоўваць толькі фармальдэгід і не могуць далей трансфармавацца».
Сумесна са сваім калегам Себасцьянам Вінкам з Інстытута малекулярнай фізіялогіі раслін даследчыкі з Інстытута Макса Планка ў цяперашні час распрацоўваюць штам, які можа паглынаць прамежкавыя прадукты і ўводзіць іх у цэнтральны метабалізм. Адначасова каманда праводзіць даследаванні электрахімічнага пераўтварэння вуглякіслага газу ў мурашыную кіслату з рабочай групай у Інстытуце хімічнага пераўтварэння энергіі імя Макса Планка пад кіраўніцтвам Вальтэра Ляйтнера. Доўгатэрміновая мэта — стварэнне «універсальнай платформы» — ад вуглякіслага газу, які атрымліваецца электрабіяхімічнымі працэсамі, да такіх прадуктаў, як інсулін або біядызель.
Спасылка: Марэн Натэрман, Себасцьян Венк, Паскаль Пфістэр, Хай Хе, Сын Хванг Лі, Вітольд Шыманскі, Нільс Гюнтэрман, Файін Чжу «Распрацоўка новага каскаду для пераўтварэння фасфат-залежнага фарыяту ў фармальдэгід in vitro і in vivo», Ленарт Нікель, Шарлота Вальнер, Ян Зарыцкі, Ніколь Пачыя, Ніна Гайзерт, Джанкарла Франсіа, Вальтэр Лейтнер, Рамон Гансалес і Тобіяс Дж. Эрб, 9 мая 2023 г., Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Дом найлепшых тэхналагічных навін з 1998 года. Будзьце ў курсе апошніх тэхналагічных навін па электроннай пошце або ў сацыяльных сетках. > Дайджэст па электроннай пошце з бясплатнай падпіскай
Даследчыкі з лабараторый Cold Spring Harbor выявілі, што SRSF1, бялок, які рэгулюе сплайсінг РНК, рэгулюецца ў падстраўнікавай залозе павялічана.