El formiat es pot veure com l'eix vertebrador d'una bioeconomia neutra en carboni, produït a partir de CO2 mitjançant mètodes (electro)químics i convertit en productes de valor afegit mitjançant cascades enzimàtiques o microorganismes modificats. Un pas important en l'ampliació de l'assimilació del formiat sintètic és la seva reducció termodinàmicament complexa del formaldehid, que aquí apareix com un canvi de color groc. Crèdit: Institut de Microbiologia Terrestre Max Planck/Geisel.
Científics de l'Institut Max Planck han creat una via metabòlica sintètica que converteix el diòxid de carboni en formaldehid amb l'ajuda de l'àcid fòrmic, oferint una manera neutra en carboni de produir materials valuosos.
Les noves vies anabòliques per a la fixació de diòxid de carboni no només ajuden a reduir els nivells de diòxid de carboni a l'atmosfera, sinó que també poden substituir la producció química tradicional de productes farmacèutics i ingredients actius per processos biològics neutres en carboni. Una nova investigació demostra un procés mitjançant el qual l'àcid fòrmic es pot utilitzar per convertir el diòxid de carboni en un material valuós per a la indústria bioquímica.
Donat l'augment de les emissions de gasos d'efecte hivernacle, el segrest de carboni o diòxid de carboni de grans fonts d'emissions és un problema urgent. A la natura, l'assimilació de diòxid de carboni s'ha estat produint durant milions d'anys, però el seu poder és lluny de ser suficient per compensar les emissions antropogèniques.
Investigadors dirigits per Tobias Erb de l'Institut de Microbiologia Terrestre Max Planck utilitzen eines naturals per desenvolupar nous mètodes per fixar diòxid de carboni. Ara han aconseguit desenvolupar una via metabòlica artificial que produeix formaldehid altament reactiu a partir de l'àcid fòrmic, un possible intermediari en la fotosíntesi artificial. El formaldehid pot entrar directament en diverses vies metabòliques per formar altres substàncies valuoses sense cap efecte tòxic. Com passa amb un procés natural, es requereixen dos ingredients principals: energia i carboni. El primer pot ser proporcionat no només per la llum solar directa, sinó també per l'electricitat, per exemple, els mòduls solars.
A la cadena de valor, les fonts de carboni són variables. El diòxid de carboni no és l'única opció aquí, estem parlant de tots els compostos de carboni individuals (blocs bàsics C1): monòxid de carboni, àcid fòrmic, formaldehid, metanol i metà. Tanmateix, gairebé totes aquestes substàncies són altament tòxiques, tant per als organismes vius (monòxid de carboni, formaldehid, metanol) com per al planeta (el metà com a gas d'efecte hivernacle). Només després que l'àcid fòrmic s'hagi neutralitzat fins al seu formiat bàsic, molts microorganismes en toleren altes concentracions.
«L'àcid fòrmic és una font de carboni molt prometedora», emfatitza Maren Nattermann, primera autora de l'estudi. «Però convertir-lo en formaldehid in vitro requereix molta energia». Això és degut a que el formiat, la sal del formiat, no es converteix fàcilment en formaldehid. «Hi ha una barrera química important entre aquestes dues molècules i, abans de poder dur a terme una reacció real, hem de superar-la amb l'ajuda de l'energia bioquímica: l'ATP».
L'objectiu dels investigadors era trobar una manera més econòmica. Al cap i a la fi, com menys energia es requereixi per introduir carboni al metabolisme, més energia es pot utilitzar per estimular el creixement o la producció. Però no hi ha aquesta manera a la natura. "El descobriment dels anomenats enzims híbrids amb múltiples funcions va requerir una mica de creativitat", diu Tobias Erb. "Tanmateix, el descobriment d'enzims candidats és només el principi. Estem parlant de reaccions que es poden comptar juntes perquè són molt lentes; en alguns casos, hi ha menys d'una reacció per segon per enzim. Les reaccions naturals poden procedir a una velocitat mil vegades més ràpida". Aquí és on entra en joc la bioquímica sintètica, diu Maren Nattermann: "Si coneixes l'estructura i el mecanisme d'un enzim, saps on intervenir. Ha estat de gran benefici".
L'optimització enzimàtica implica diversos enfocaments: l'intercanvi especialitzat de blocs de construcció, la generació de mutacions aleatòries i la selecció de capacitat. "Tant el formiat com el formaldehid són molt adequats perquè poden penetrar les parets cel·lulars. Podem afegir formiat al medi de cultiu cel·lular, que produeix un enzim que converteix el formaldehid resultant en un colorant groc no tòxic després d'unes hores", va dir Maren. Nattermann va explicar.
Els resultats en un període de temps tan curt no haurien estat possibles sense l'ús de mètodes d'alt rendiment. Per fer-ho, els investigadors van col·laborar amb el soci industrial Festo a Esslingen, Alemanya. "Després d'unes 4.000 variacions, vam quadruplicar el nostre rendiment", diu Maren Nattermann. "Així, hem creat la base per al creixement del microorganisme model E. coli, el cavall de batalla microbià de la biotecnologia, sobre àcid fòrmic. Tanmateix, de moment, les nostres cèl·lules només poden produir formaldehid i no es poden transformar més".
En col·laboració amb el seu col·laborador Sebastian Wink de l'Institut de Fisiologia Molecular Vegetal, els investigadors del Max Planck estan desenvolupant actualment una soca que pot absorbir intermediaris i introduir-los en el metabolisme central. Al mateix temps, l'equip està duent a terme investigacions sobre la conversió electroquímica de diòxid de carboni a àcid fòrmic amb un grup de treball de l'Institut de Conversió d'Energia Química del Max Planck, sota la direcció de Walter Leitner. L'objectiu a llarg termini és una "plataforma única" des del diòxid de carboni produït per processos electrobioquímics fins a productes com la insulina o el biodièsel.
Referència: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Desenvolupament d'una nova cascada per a la conversió de formiat dependent de fosfat a formaldehid in vitro i in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez i Tobias J. Erb, 9 de maig de 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: La llar de les millors notícies tecnològiques des del 1998. Estigueu al dia de les darreres notícies tecnològiques per correu electrònic o xarxes socials. > Resum per correu electrònic amb subscripció gratuïta
Investigadors dels Cold Spring Harbor Laboratories van descobrir que SRSF1, una proteïna que regula l'empalmament d'ARN, està regulada a l'alça al pàncrees.