Formate bisa dideleng minangka tulang punggung bioekonomi netral karbon, sing diasilake saka CO2 nggunakake metode (elektro)kimia lan diowahi dadi produk nilai tambah nggunakake kaskade enzimatik utawa mikroorganisme sing direkayasa. Langkah penting kanggo ngembangake asimilasi formate sintetis yaiku reduksi formaldehida sing kompleks sacara termodinamika, sing ing kene katon minangka owah-owahan warna kuning. Kredit: Institut Mikrobiologi Terestrial Max Planck/Geisel.
Para ilmuwan ing Institut Max Planck wis nggawe jalur metabolisme sintetik sing ngowahi karbon dioksida dadi formaldehida kanthi bantuan asam format, sing nawakake cara netral karbon kanggo ngasilake bahan-bahan sing terkenal.
Jalur anabolik anyar kanggo fiksasi karbon dioksida ora mung mbantu nyuda tingkat karbon dioksida ing atmosfer, nanging uga bisa ngganti produksi kimia tradisional obat-obatan lan bahan aktif kanthi proses biologis netral karbon. Riset anyar nduduhake proses sing bisa digunakake asam format kanggo ngowahi karbon dioksida dadi bahan sing penting kanggo industri biokimia.
Amarga mundhake emisi gas omah kaca, penyerapan karbon utawa penyerapan karbon dioksida saka sumber emisi gedhe minangka masalah sing mendesak. Ing alam, asimilasi karbon dioksida wis kedadeyan sajrone jutaan taun, nanging kekuwatane isih adoh saka cukup kanggo ngimbangi emisi antropogenik.
Para peneliti sing dipimpin dening Tobias Erb saka Institut Mikrobiologi Terestrial. Max Planck nggunakake piranti alami kanggo ngembangake metode anyar kanggo ndandani karbon dioksida. Saiki dheweke wis kasil ngembangake jalur metabolisme buatan sing ngasilake formaldehida sing reaktif banget saka asam format, sing bisa dadi perantara ing fotosintesis buatan. Formaldehida bisa langsung mlebu ing sawetara jalur metabolisme kanggo mbentuk zat liyane sing migunani tanpa efek beracun. Kaya proses alami, rong bahan utama dibutuhake: energi lan karbon. Sing pertama ora mung bisa diwenehake dening sinar srengenge langsung, nanging uga dening listrik - contone, modul surya.
Ing rantai nilai, sumber karbon iku maneka warna. Karbon dioksida dudu siji-sijine pilihan ing kene, kita ngomong babagan kabeh senyawa karbon individu (blok bangunan C1): karbon monoksida, asam format, formaldehida, metanol lan metana. Nanging, meh kabeh zat kasebut beracun banget, kanggo organisme urip (karbon monoksida, formaldehida, metanol) lan kanggo planet (metana minangka gas omah kaca). Mung sawise asam format dinetralisir dadi format dhasar, akeh mikroorganisme sing tahan konsentrasi dhuwur.
"Asam format minangka sumber karbon sing njanjeni banget," ujare Maren Nattermann, penulis pertama panliten kasebut. "Nanging ngowahi dadi formaldehida in vitro mbutuhake energi akeh banget." Iki amarga format, uyah saka format, ora gampang diowahi dadi formaldehida. "Ana alangan kimia sing serius ing antarane rong molekul iki, lan sadurunge kita bisa nindakake reaksi nyata, kita kudu ngatasi kanthi bantuan energi biokimia - ATP."
Tujuane para peneliti yaiku nemokake cara sing luwih ekonomis. Sawise kabeh, luwih sithik energi sing dibutuhake kanggo menehi karbon menyang metabolisme, luwih akeh energi sing bisa digunakake kanggo ngrangsang wutah utawa produksi. Nanging ora ana cara kaya ngono ing alam. "Panemon enzim hibrida sing diarani kanthi pirang-pirang fungsi mbutuhake kreativitas," ujare Tobias Erb. "Nanging, panemuan enzim kandidat mung wiwitane. Kita ngomong babagan reaksi sing bisa diitung bebarengan amarga alon banget—ing sawetara kasus, ana kurang saka siji reaksi saben detik saben enzim. Reaksi alami bisa ditindakake kanthi kecepatan sing sewu kaping luwih cepet." Ing kene biokimia sintetis mlebu, ujare Maren Nattermann: "Yen sampeyan ngerti struktur lan mekanisme enzim, sampeyan ngerti ing ngendi kudu campur tangan. Iki wis migunani banget."
Optimalisasi enzim nglibatake sawetara pendekatan: ijol-ijolan blok bangunan khusus, generasi mutasi acak, lan pemilihan kapasitas. "Format lan formaldehida cocok banget amarga bisa nembus dinding sel. Kita bisa nambah format menyang medium kultur sel, sing ngasilake enzim sing ngowahi formaldehida sing diasilake dadi pewarna kuning sing ora beracun sawise sawetara jam," ujare Maren. Nattermann nerangake.
Asil sajrone wektu sing cendhak ora bakal bisa dipikolehi tanpa nggunakake metode throughput sing dhuwur. Kanggo nindakake iki, para peneliti kolaborasi karo mitra industri Festo ing Esslingen, Jerman. "Sawise udakara 4.000 variasi, asil panen kita tikel kaping papat," ujare Maren Nattermann. "Mula, kita wis nggawe dhasar kanggo tuwuhing mikroorganisme model E. coli, mikroba sing paling penting ing bioteknologi, ing asam format. Nanging, saiki, sel kita mung bisa ngasilake formaldehida lan ora bisa malih luwih lanjut."
Kanthi kerjasama karo kolaboratore Sebastian Wink saka Institut Fisiologi Molekuler Tanaman. Para peneliti Max Planck saiki lagi ngembangake galur sing bisa njupuk zat antara lan ngenalake menyang metabolisme pusat. Ing wektu sing padha, tim kasebut lagi nindakake riset babagan konversi elektrokimia karbon dioksida dadi asam format karo klompok kerja ing Institut Konversi Energi Kimia. Max Planck ing sangisore arahan Walter Leitner. Tujuan jangka panjang yaiku "platform siji-ukuran-cocok-kabeh" saka karbon dioksida sing diasilake dening proses elektrobiokimia dadi produk kayata insulin utawa biodiesel.
Referensi: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Pangembangan kaskade anyar kanggo konversi format sing gumantung fosfat dadi formaldehida in vitro lan in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, lan Tobias J. Erb, 9 Mei 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Omah pawarta teknologi paling apik wiwit taun 1998. Entuk kabar paling anyar babagan pawarta teknologi liwat email utawa media sosial. > Ringkesan email kanthi langganan gratis
Para peneliti ing Cold Spring Harbor Laboratories nemokake yen SRSF1, protein sing ngatur splicing RNA, diregulasi kanthi apik ing pankreas.