ניתן לראות בפורמט את עמוד השדרה של ביו-כלכלה ניטרלית פחמן, המופק מ-CO2 באמצעות שיטות (אלקטרו)כימיות ומומר למוצרים בעלי ערך מוסף באמצעות קסדות אנזימטיות או מיקרואורגניזמים מהונדסים. צעד חשוב בהרחבת הטמעת הפורמט הסינתטי הוא ההפחתה המורכבת מבחינה תרמודינמית של פורמלדהיד, המופיעה כאן כשינוי צבע צהוב. קרדיט: המכון למיקרוביולוגיה יבשתית מקס פלאנק/גייזל.
מדענים במכון מקס פלאנק יצרו מסלול מטבולי סינתטי הממיר פחמן דו-חמצני לפורמלדהיד בעזרת חומצה פורמית, ובכך מציע דרך ניטרלית מבחינת פחמן לייצור חומרים יקרי ערך.
מסלולים אנבוליים חדשים לקיבוע פחמן דו-חמצני לא רק מסייעים בהפחתת רמות פחמן דו-חמצני באטמוספירה, אלא גם יכולים להחליף את הייצור הכימי המסורתי של תרופות ומרכיבים פעילים בתהליכים ביולוגיים ניטרליים פחמן. מחקר חדש מדגים תהליך שבו ניתן להשתמש בחומצה פורמית כדי להמיר פחמן דו-חמצני לחומר בעל ערך לתעשייה הביוכימית.
בהתחשב בעלייה בפליטות גזי חממה, קיבוע פחמן או קיבוע פחמן דו-חמצני ממקורות פליטה גדולים הוא נושא דחוף. בטבע, ספיגת פחמן דו-חמצני מתרחשת כבר מיליוני שנים, אך עוצמתה רחוקה מלהספיק כדי לפצות על פליטות אנושיות.
חוקרים בראשות טוביאס ארב מהמכון למיקרוביולוגיה יבשתית. מקס פלאנק משתמשים בכלים טבעיים כדי לפתח שיטות חדשות לקיבוע פחמן דו-חמצני. כעת הם הצליחו לפתח מסלול מטבולי מלאכותי המייצר פורמלדהיד בעל תגובתיות גבוהה מחומצה פורמית, חומר ביניים אפשרי בפוטוסינתזה מלאכותית. פורמלדהיד יכול להיכנס ישירות למספר מסלולים מטבוליים וליצור חומרים יקרי ערך אחרים ללא כל השפעות רעילות. כמו בתהליך טבעי, נדרשים שני מרכיבים עיקריים: אנרגיה ופחמן. הראשון יכול להינתן לא רק מאור שמש ישיר, אלא גם מחשמל - לדוגמה, מודולים סולאריים.
בשרשרת הערך, מקורות הפחמן משתנים. פחמן דו-חמצני אינו האפשרות היחידה כאן, אנו מדברים על כל תרכובות הפחמן הבודדות (אבני הבניין של C1): פחמן חד-חמצני, חומצה פורמית, פורמלדהיד, מתנול ומתאן. עם זאת, כמעט כל החומרים הללו רעילים ביותר, הן לאורגניזמים חיים (פחמן חד-חמצני, פורמלדהיד, מתנול) והן לכדור הארץ (מתאן כגז חממה). רק לאחר שהחומצה הפורמית נוטרלה לפורמט הבסיסי שלה, מיקרואורגניזמים רבים סובלים ריכוזים גבוהים שלה.
"חומצה פורמית היא מקור מבטיח מאוד לפחמן", מדגישה מארן נטרמן, המחברת הראשונה של המחקר. "אבל המרתה לפורמלדהיד במבחנה דורשת אנרגיה רבה". הסיבה לכך היא שפורמט, המלח של פורמט, אינו מומר בקלות לפורמלדהיד. "יש מחסום כימי רציני בין שתי המולקולות הללו, ולפני שנוכל לבצע תגובה אמיתית, עלינו להתגבר עליו בעזרת אנרגיה ביוכימית - ATP".
מטרת החוקרים הייתה למצוא דרך חסכונית יותר. אחרי הכל, ככל שנדרשת פחות אנרגיה להזנת פחמן לחילוף החומרים, כך ניתן להשתמש ביותר אנרגיה כדי לעודד צמיחה או ייצור. אבל אין דרך כזו בטבע. "גילוי אנזימים היברידיים כביכול בעלי פונקציות מרובות דרש יצירתיות מסוימת", אומר טוביאס ארב. "עם זאת, גילוי אנזימים מועמדים הוא רק ההתחלה. אנחנו מדברים על תגובות שניתן לספור יחד מכיוון שהן איטיות מאוד - במקרים מסוימים, יש פחות מתגובה אחת לשנייה לכל אנזים. תגובות טבעיות יכולות להתקדם בקצב מהיר פי אלף". כאן נכנסת לתמונה הביוכימיה הסינתטית, אומרת מארן נטרמן: "אם אתה מכיר את המבנה והמנגנון של אנזים, אתה יודע היכן להתערב. זה היה מועיל מאוד".
אופטימיזציה של אנזימים כוללת מספר גישות: החלפת אבני בניין ייעודיות, יצירת מוטציות אקראית ובחירת קיבולת. "גם פורמט וגם פורמלדהיד מתאימים מאוד משום שהם יכולים לחדור לדפנות התא. אנו יכולים להוסיף פורמט למדיום תרבית התאים, אשר מייצר אנזים שהופך את הפורמלדהיד שנוצר לצבע צהוב לא רעיל לאחר מספר שעות", אמר מארן. נטרמן הסביר.
תוצאות בפרק זמן כה קצר לא היו אפשריות ללא שימוש בשיטות תפוקה גבוהה. לשם כך, החוקרים שיתפו פעולה עם השותף התעשייתי Festo באסלינגן, גרמניה. "לאחר כ-4,000 וריאציות, הגדלנו פי ארבעה את התשואה שלנו", אומרת מארן נטרמן. "כך, יצרנו את הבסיס לגידול המיקרואורגניזם המודל E. coli, סוס העבודה המיקרוביאלי של הביוטכנולוגיה, על חומצה פורמית. עם זאת, כרגע, התאים שלנו יכולים לייצר רק פורמלדהיד ואינם יכולים לעבור טרנספורמציה נוספת."
בשיתוף פעולה עם שותפו סבסטיאן וינק מהמכון לפיזיולוגיה מולקולרית של הצמח, חוקרי מקס פלאנק מפתחים כעת זן שיכול לקלוט חומרי ביניים ולהכניס אותם לחילוף החומרים המרכזי. במקביל, הצוות עורך מחקר על המרה אלקטרוכימית של פחמן דו-חמצני לחומצה פורמית עם קבוצת עבודה במכון להמרת אנרגיה כימית, מקס פלאנק, בניהולו של וולטר לייטנר. המטרה ארוכת הטווח היא "פלטפורמה אחת שמתאימה לכולם", החל מפחמן דו-חמצני המיוצר על ידי תהליכים אלקטרו-ביוכימיים ועד למוצרים כמו אינסולין או ביו-דיזל.
מקורות: מארן נטרמן, סבסטיאן וונק, פסקל פפיסטר, האי הה, סונג הואנג לי, ויטולד שימנסקי, נילס גונטרמן, פאיינג ג'ו "פיתוח של מפל חדש להמרת פורמט תלוי פוספט לפורמלדהיד במבחנה ובחי", לנארט ניקל. , שרלוט וולנר, יאן זרזיצקי, ניקול פאצ'יה, נינה גייסרט, ג'אנקרלו פרנסיו, וולטר לייטנר, רמון גונזלס וטוביאס ג'יי ארב, 9 במאי 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: הבית של חדשות הטכנולוגיה הטובות ביותר מאז 1998. הישארו מעודכנים בחדשות הטכנולוגיה האחרונות באמצעות דוא"ל או מדיה חברתית. > סיכום דוא"ל עם מנוי חינם
חוקרים במעבדות קולד ספרינג הארבור מצאו כי SRSF1, חלבון המווסת שחבור RNA, מווסת כלפי מעלה בלבלב.