Formaat kan worden gezien als de ruggengraat van een koolstofneutrale bio-economie. Het wordt geproduceerd uit CO2 met behulp van (elektro)chemische methoden en omgezet in producten met toegevoegde waarde door middel van enzymatische cascades of gemanipuleerde micro-organismen. Een belangrijke stap in de uitbreiding van de assimilatie van synthetisch formaat is de thermodynamisch complexe reductie van formaldehyde, die hier zichtbaar is als een gele kleurverandering. Credit: Instituut voor Terrestrische Microbiologie Max Planck/Geisel.
Wetenschappers van het Max Planck Instituut hebben een synthetische metabolische route ontwikkeld die koolstofdioxide met behulp van mierenzuur omzet in formaldehyde, waarmee een koolstofneutrale manier wordt geboden om waardevolle materialen te produceren.
Nieuwe anabole processen voor de fixatie van koolstofdioxide helpen niet alleen om de koolstofdioxideconcentratie in de atmosfeer te verlagen, maar kunnen ook de traditionele chemische productie van geneesmiddelen en werkzame stoffen vervangen door koolstofneutrale biologische processen. Nieuw onderzoek toont een proces aan waarbij mierenzuur kan worden gebruikt om koolstofdioxide om te zetten in een materiaal dat waardevol is voor de biochemische industrie.
Gezien de stijging van de uitstoot van broeikasgassen is koolstofvastlegging, oftewel de afvang van kooldioxide uit grote emissiebronnen, een urgente kwestie. In de natuur vindt de assimilatie van kooldioxide al miljoenen jaren plaats, maar dit proces is lang niet voldoende om de antropogene uitstoot te compenseren.
Onderzoekers onder leiding van Tobias Erb van het Instituut voor Terrestrische Microbiologie Max Planck gebruiken natuurlijke middelen om nieuwe methoden te ontwikkelen voor de fixatie van koolstofdioxide. Ze zijn er nu in geslaagd een kunstmatig metabolisch pad te ontwikkelen dat zeer reactief formaldehyde produceert uit mierenzuur, een mogelijk tussenproduct in kunstmatige fotosynthese. Formaldehyde kan rechtstreeks in verschillende metabolische paden worden opgenomen om andere waardevolle stoffen te vormen zonder giftige effecten. Net als bij een natuurlijk proces zijn twee hoofdingrediënten nodig: energie en koolstof. De eerste kan niet alleen worden geleverd door direct zonlicht, maar ook door elektriciteit – bijvoorbeeld zonnepanelen.
In de waardeketen zijn de koolstofbronnen variabel. Koolstofdioxide is hier niet de enige optie; het gaat om alle afzonderlijke koolstofverbindingen (C1-bouwstenen): koolmonoxide, mierenzuur, formaldehyde, methanol en methaan. Vrijwel al deze stoffen zijn echter zeer giftig, zowel voor levende organismen (koolmonoxide, formaldehyde, methanol) als voor de planeet (methaan als broeikasgas). Pas nadat mierenzuur is geneutraliseerd tot zijn basische vorm, formiaat, kunnen veel micro-organismen hoge concentraties ervan verdragen.
"Mierenzuur is een veelbelovende koolstofbron", benadrukt Maren Nattermann, eerste auteur van de studie. "Maar de omzetting ervan naar formaldehyde in vitro is zeer energie-intensief." Dit komt doordat formiaat, het zout van formiaat, niet gemakkelijk wordt omgezet in formaldehyde. "Er bestaat een serieuze chemische barrière tussen deze twee moleculen, en voordat we een echte reactie kunnen uitvoeren, moeten we die overwinnen met behulp van biochemische energie – ATP."
Het doel van de onderzoekers was om een ​​efficiëntere manier te vinden. Immers, hoe minder energie er nodig is om koolstof in de stofwisseling te brengen, hoe meer energie er overblijft om groei of productie te stimuleren. Maar zo'n manier bestaat niet in de natuur. "De ontdekking van zogenaamde hybride enzymen met meerdere functies vergde de nodige creativiteit", zegt Tobias Erb. "De ontdekking van kandidaat-enzymen is echter slechts het begin. We hebben het over reacties die we bij elkaar kunnen tellen omdat ze erg langzaam verlopen – in sommige gevallen is er minder dan één reactie per seconde per enzym. Natuurlijke reacties kunnen duizend keer sneller verlopen." Dit is waar synthetische biochemie om de hoek komt kijken, zegt Maren Nattermann: "Als je de structuur en het mechanisme van een enzym kent, weet je waar je moet ingrijpen. Dat is van groot nut gebleken."
Enzymoptimalisatie omvat verschillende benaderingen: uitwisseling van gespecialiseerde bouwstenen, het genereren van willekeurige mutaties en capaciteitsselectie. "Zowel formiaat als formaldehyde zijn zeer geschikt omdat ze celwanden kunnen binnendringen. We kunnen formiaat toevoegen aan het celkweekmedium, wat een enzym produceert dat de resulterende formaldehyde na een paar uur omzet in een niet-giftige gele kleurstof", aldus Maren. Nattermann legde uit.
Resultaten in zo'n korte tijd zouden niet mogelijk zijn geweest zonder het gebruik van high-throughput-methoden. Hiervoor werkten de onderzoekers samen met industriële partner Festo in Esslingen, Duitsland. "Na ongeveer 4000 variaties hebben we onze opbrengst verviervoudigd", zegt Maren Nattermann. "Zo hebben we de basis gelegd voor de groei van het modelmicro-organisme E. coli, het microbiële werkpaard van de biotechnologie, op mierenzuur. Op dit moment kunnen onze cellen echter alleen formaldehyde produceren en geen verdere transformaties uitvoeren."
In samenwerking met Sebastian Wink van het Instituut voor Moleculaire Plantenfysiologie ontwikkelen Max Planck-onderzoekers momenteel een stam die tussenproducten kan opnemen en in het centrale metabolisme kan introduceren. Tegelijkertijd doet het team onderzoek naar de elektrochemische omzetting van koolstofdioxide naar mierenzuur met een werkgroep van het Instituut voor Chemische Energieomzetting Max Planck onder leiding van Walter Leitner. Het uiteindelijke doel is een universeel platform voor de omzetting van koolstofdioxide, geproduceerd via elektrobiochemische processen, naar producten zoals insuline of biodiesel.
Referentie: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Development of a new cascade for the conversion of phosphate-dependent formate to formaldehyde in vitro and in vivo”, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez en Tobias J. Erb, 9 mei 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Dé plek voor het beste technieuws sinds 1998. Blijf op de hoogte van het laatste technieuws via e-mail of sociale media. > E-mailnieuwsbrief met gratis abonnement
Onderzoekers van Cold Spring Harbor Laboratories ontdekten dat SRSF1, een eiwit dat de RNA-splitsing reguleert, in verhoogde mate aanwezig is in de alvleesklier.