Ввиду растущих выбросов парниковых газов улавливание углерода, связывание углекислого газа из крупных источников выбросов, является актуальной проблемой. В природе ассимиляция углекислого газа происходит на протяжении миллионов лет, но ее мощности далеко не достаточно, чтобы компенсировать антропогенные выбросы.

Исследователи во главе с Тобиасом Эрбом из Института наземной микробиологии Макса Планка используют инструментарий nature для разработки новых способов фиксации углекислого газа. Теперь им удалось разработать искусственный метаболический путь, который производит высокореактивный формальдегид из муравьиной кислоты, возможного промежуточного продукта искусственного фотосинтеза. Формальдегид может подаваться непосредственно в несколько метаболических путей с образованием других ценных веществ без каких-либо токсических эффектов. Как и в естественном процессе, требуются два основных компонента: энергия и углерод. Первое может обеспечиваться не только прямыми солнечными лучами, но и электричеством - например, от солнечных модулей.

Муравьиная кислота является строительным блоком C1

В рамках цепочки создания добавленной стоимости источник углерода является переменным. диоксид углерода здесь не единственный вариант, под сомнение ставятся все моноуглероды (строительные блоки C1): монооксид углерода, муравьиная кислота, формальдегид, метанол и метан. Однако почти все эти вещества высокотоксичны - либо для живых организмов (монооксид углерода, формальдегид, метанол), либо для планеты (метан как парниковый газ). Только муравьиная кислота, нейтрализованная до ее основного формиата, переносится многими микроорганизмами в высоких концентрациях.

"Муравьиная кислота является очень многообещающим источником углерода", - подчеркивает Марен Наттерманн, первый автор исследования. "Но превращение его в формальдегид в пробирке довольно энергозатратно". Это связано с тем, что соль муравьиной кислоты, формиат, не может быть легко преобразована в формальдегид. "Между двумя молекулами существует серьезный химический барьер, который мы должны преодолеть с помощью биохимической энергии - АТФ - прежде чем сможем провести настоящую реакцию".

Целью исследователя было найти более экономичный способ. В конце концов, чем меньше энергии требуется для вовлечения углерода в метаболизм, тем больше энергии остается для стимулирования роста или производства. Но такого пути не существует в природе. "Требуется определенный творческий подход, чтобы обнаружить так называемые разнородные ферменты с множеством функций", - говорит Тобиас Эрб. "Однако открытие ферментов-кандидатов - это только начало. Мы говорим о реакциях, которые вы можете подсчитать, поскольку они протекают очень медленно - в некоторых случаях менее одной реакции в секунду на каждый фермент. Естественные реакции могут протекать в тысячу раз быстрее." Вот тут-то и вступает в дело синтетическая биохимия, говорит Марен Наттерманн: "Если вы знаете структуру и механизм фермента, вы знаете, где нужно вмешаться. Здесь мы извлекаем значительную пользу из предварительной работы наших коллег по фундаментальным исследованиям".

Высокопроизводительная технология ускоряет оптимизацию ферментов

Оптимизация ферментов включала в себя несколько подходов: был произведен специальный обмен строительными блоками, а также сгенерированы случайные мутации, которые были отобраны с учетом их возможностей. "Формиат и формальдегид прекрасно подходят друг другу, потому что они проникают сквозь клеточные стенки. Мы можем поместить формиат в питательную среду клеток, которые вырабатывают наши ферменты, и через несколько часов преобразовать полученный формальдегид в нетоксичный желтый краситель", - объясняет Марен Наттерманн.

Результат был бы невозможен за столь короткое время без использования высокопроизводительных методов. Для достижения этой цели исследователи сотрудничали со своим промышленным партнером Festo, базирующимся в Эсслингене, Германия. "После примерно 4000 вариантов мы добились четырехкратного улучшения производительности", - говорит Марен Наттерманн. "Таким образом, мы создали основу для модели mikrobe Escherichia coli, микробная рабочая лошадка биотехнологии, выращиваемая на муравьиной кислоте. Однако на данный момент наши клетки могут только вырабатывать формальдегид, а не преобразовывать его в дальнейшем".

Совместно с партнером Себастьяном Венком из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка исследователи в настоящее время разрабатывают штамм, который может поглощать промежуточные продукты и вводить их в центральный метаболизм. Параллельно команда проводит исследования совместно с рабочей группой Института химического преобразования энергии Макса Планка, возглавляемой Вальтером Лейтнером, по электрохимическому преобразованию углекислого газа в муравьиную кислоту. Долгосрочная цель - создать платформу "все в одном" - от углекислого газа с помощью электробиохимического процесса до таких продуктов, как инсулин или биодизельное топливо.