O formiato pódese considerar como a columna vertebral dunha bioeconomía neutra en carbono, producido a partir de CO2 mediante métodos (electro)químicos e convertido en produtos de valor engadido mediante fervenzas encimáticas ou microorganismos modificados. Un paso importante na expansión da asimilación do formiato sintético é a súa redución termodinamicamente complexa do formaldehido, que aquí aparece como un cambio de cor amarela. Crédito: Instituto de Microbioloxía Terrestre Max Planck/Geisel.
Científicos do Instituto Max Planck crearon unha vía metabólica sintética que converte o dióxido de carbono en formaldehido coa axuda do ácido fórmico, o que ofrece unha forma neutra en carbono de producir materiais valiosos.
As novas vías anabólicas para a fixación do dióxido de carbono non só axudan a reducir os niveis de dióxido de carbono na atmosfera, senón que tamén poden substituír a produción química tradicional de produtos farmacéuticos e ingredientes activos por procesos biolóxicos neutros en carbono. Unha nova investigación demostra un proceso polo cal o ácido fórmico pode empregarse para converter o dióxido de carbono nun material valioso para a industria bioquímica.
Dado o aumento das emisións de gases de efecto invernadoiro, o secuestro de carbono ou o secuestro de dióxido de carbono das grandes fontes de emisións é un problema urxente. Na natureza, a asimilación do dióxido de carbono leva millóns de anos en marcha, pero o seu poder está lonxe de ser suficiente para compensar as emisións antropoxénicas.
Investigadores dirixidos por Tobias Erb, do Instituto de Microbioloxía Terrestre Max Planck, empregan ferramentas naturais para desenvolver novos métodos para fixar o dióxido de carbono. Agora conseguiron desenvolver unha vía metabólica artificial que produce formaldehido altamente reactivo a partir do ácido fórmico, un posible intermediario na fotosíntese artificial. O formaldehido pode entrar directamente en varias vías metabólicas para formar outras substancias valiosas sen ningún efecto tóxico. Do mesmo xeito que nun proceso natural, requírense dous ingredientes principais: enerxía e carbono. O primeiro pode ser proporcionado non só pola luz solar directa, senón tamén pola electricidade, por exemplo, os módulos solares.
Na cadea de valor, as fontes de carbono son variables. O dióxido de carbono non é a única opción aquí, estamos a falar de todos os compostos de carbono individuais (bloques de construción C1): monóxido de carbono, ácido fórmico, formaldehido, metanol e metano. Non obstante, case todas estas substancias son altamente tóxicas, tanto para os organismos vivos (monóxido de carbono, formaldehido, metanol) como para o planeta (metano como gas de efecto invernadoiro). Só despois de que o ácido fórmico sexa neutralizado ao seu formiato básico, moitos microorganismos toleran altas concentracións del.
«O ácido fórmico é unha fonte de carbono moi prometedora», subliña Maren Nattermann, primeira autora do estudo. «Pero convertelo en formaldehído in vitro require moita enerxía». Isto débese a que o formiato, o sal do formiato, non se converte facilmente en formaldehído. «Existe unha importante barreira química entre estas dúas moléculas e, antes de que poidamos levar a cabo unha reacción real, debemos superala coa axuda da enerxía bioquímica (ATP).»
O obxectivo dos investigadores era atopar unha maneira máis económica. Despois de todo, canta menos enerxía se precise para introducir carbono no metabolismo, máis enerxía se pode usar para estimular o crecemento ou a produción. Pero non existe tal maneira na natureza. «O descubrimento dos chamados encimas híbridos con múltiples funcións requiriu algo de creatividade», di Tobias Erb. «Non obstante, o descubrimento de encimas candidatos é só o comezo. Falamos de reaccións que se poden contar xuntas porque son moi lentas; nalgúns casos, hai menos dunha reacción por segundo por encima. As reaccións naturais poden proceder a unha velocidade mil veces máis rápida». Aquí é onde entra a bioquímica sintética, di Maren Nattermann: «Se coñeces a estrutura e o mecanismo dun encima, sabes onde intervir. Foi de gran beneficio».
A optimización de encimas implica varias abordaxes: intercambio especializado de bloques de construción, xeración de mutacións aleatorias e selección de capacidade. «Tanto o formiato como o formaldehido son moi axeitados porque poden penetrar as paredes celulares. Podemos engadir formiato ao medio de cultivo celular, o que produce un encima que converte o formaldehido resultante nun colorante amarelo non tóxico despois dalgunhas horas», dixo Maren. Explicou Nattermann.
Non sería posible obter resultados nun período de tempo tan curto sen o uso de métodos de alto rendemento. Para conseguilo, os investigadores colaboraron co socio industrial Festo en Esslingen, Alemaña. «Despois dunhas 4000 variacións, cuadriplicamos o noso rendemento», afirma Maren Nattermann. «Así, creamos a base para o crecemento do microorganismo modelo E. coli, o cabalo de batalla microbiano da biotecnoloxía, en ácido fórmico. Non obstante, polo momento, as nosas células só poden producir formaldehido e non poden transformarse máis».
En colaboración co seu colaborador Sebastian Wink do Instituto de Fisioloxía Molecular Vexetal, os investigadores do Max Planck están a desenvolver actualmente unha cepa que pode absorber intermediarios e introducilos no metabolismo central. Ao mesmo tempo, o equipo está a levar a cabo investigacións sobre a conversión electroquímica de dióxido de carbono a ácido fórmico cun grupo de traballo no Instituto de Conversión de Enerxía Química do Max Planck baixo a dirección de Walter Leitner. O obxectivo a longo prazo é unha "plataforma única" desde o dióxido de carbono producido por procesos electrobioquímicos ata produtos como a insulina ou o biodiésel.
Referencia: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Desenvolvemento dunha nova cascada para a conversión de formiato dependente de fosfato en formaldehido in vitro e in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez e Tobias J. Erb, 9 de maio de 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: o fogar das mellores noticias tecnolóxicas desde 1998. Mantéñase ao día das últimas noticias tecnolóxicas por correo electrónico ou redes sociais. > Resumo por correo electrónico con subscrición gratuíta
Investigadores dos Laboratorios Cold Spring Harbor descubriron que a SRSF1, unha proteína que regula o empalme do ARN, está regulada positivamente no páncreas.