فرمات را می‌توان به عنوان ستون فقرات یک اقتصاد زیستی خنثی از کربن در نظر گرفت که با استفاده از روش‌های (الکترو)شیمیایی از CO2 تولید شده و با استفاده از آبشارهای آنزیمی یا میکروارگانیسم‌های مهندسی‌شده به محصولات با ارزش افزوده تبدیل می‌شود. گامی مهم در گسترش جذب فرمات مصنوعی، کاهش ترمودینامیکی پیچیده فرمالدئید توسط آن است که در اینجا به صورت تغییر رنگ زرد ظاهر می‌شود. منبع: موسسه میکروبیولوژی زمینی ماکس پلانک/گیزل.
دانشمندان موسسه ماکس پلانک یک مسیر متابولیک مصنوعی ایجاد کرده‌اند که دی‌اکسید کربن را با کمک اسید فرمیک به فرمالدئید تبدیل می‌کند و روشی بدون کربن برای تولید مواد ارزشمند ارائه می‌دهد.
مسیرهای آنابولیک جدید برای تثبیت دی اکسید کربن نه تنها به کاهش سطح دی اکسید کربن در جو کمک می‌کند، بلکه می‌تواند جایگزین تولید شیمیایی سنتی داروها و مواد فعال با فرآیندهای بیولوژیکی خنثی از کربن شود. تحقیقات جدید فرآیندی را نشان می‌دهد که از طریق آن می‌توان از اسید فرمیک برای تبدیل دی اکسید کربن به ماده‌ای ارزشمند برای صنعت بیوشیمیایی استفاده کرد.
با توجه به افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای، جداسازی کربن یا جذب دی‌اکسید کربن از منابع بزرگ انتشار گازهای گلخانه‌ای یک مسئله فوری است. در طبیعت، جذب دی‌اکسید کربن میلیون‌ها سال است که ادامه دارد، اما قدرت آن برای جبران انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از فعالیت‌های انسانی به هیچ وجه کافی نیست.
محققان به رهبری توبیاس ارب از موسسه میکروبیولوژی زمینی. ماکس پلانک از ابزارهای طبیعی برای توسعه روش‌های جدید برای تثبیت دی اکسید کربن استفاده می‌کنند. آنها اکنون موفق به توسعه یک مسیر متابولیک مصنوعی شده‌اند که فرمالدئید بسیار واکنش‌پذیر را از اسید فرمیک، یک واسطه احتمالی در فتوسنتز مصنوعی، تولید می‌کند. فرمالدئید می‌تواند مستقیماً وارد چندین مسیر متابولیکی شود تا مواد ارزشمند دیگری را بدون هیچ گونه اثر سمی تشکیل دهد. مانند یک فرآیند طبیعی، دو ماده اصلی مورد نیاز است: انرژی و کربن. مورد اول را می‌توان نه تنها از طریق نور مستقیم خورشید، بلکه از طریق برق نیز تأمین کرد - به عنوان مثال، ماژول‌های خورشیدی.
در زنجیره ارزش، منابع کربن متغیر هستند. دی اکسید کربن در اینجا تنها گزینه نیست، ما در مورد تمام ترکیبات کربنی منفرد (بلوک‌های سازنده C1) صحبت می‌کنیم: مونوکسید کربن، اسید فرمیک، فرمالدئید، متانول و متان. با این حال، تقریباً همه این مواد بسیار سمی هستند، هم برای موجودات زنده (مونوکسید کربن، فرمالدئید، متانول) و هم برای کره زمین (متان به عنوان یک گاز گلخانه‌ای). تنها پس از خنثی شدن اسید فرمیک به فرمات پایه آن، بسیاری از میکروارگانیسم‌ها غلظت‌های بالای آن را تحمل می‌کنند.
مارن ناترمن، نویسنده اول این مطالعه، تأکید می‌کند: «اسید فرمیک منبع بسیار امیدوارکننده‌ای از کربن است. اما تبدیل آن به فرمالدئید در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) بسیار پرانرژی است.» دلیل این امر این است که فرمات، نمک فرمات، به راحتی به فرمالدئید تبدیل نمی‌شود. «یک مانع شیمیایی جدی بین این دو مولکول وجود دارد و قبل از اینکه بتوانیم یک واکنش واقعی انجام دهیم، باید با کمک انرژی بیوشیمیایی - ATP - بر آن غلبه کنیم.»
هدف محققان یافتن راهی اقتصادی‌تر بود. هرچه انرژی کمتری برای تغذیه کربن به متابولیسم مورد نیاز باشد، انرژی بیشتری می‌توان برای تحریک رشد یا تولید استفاده کرد. اما چنین راهی در طبیعت وجود ندارد. توبیاس ارب می‌گوید: «کشف آنزیم‌های به اصطلاح هیبریدی با عملکردهای چندگانه نیاز به خلاقیت داشت. با این حال، کشف آنزیم‌های کاندید تنها آغاز کار است. ما در مورد واکنش‌هایی صحبت می‌کنیم که می‌توان آنها را با هم شمرد زیرا بسیار کند هستند - در برخی موارد، کمتر از یک واکنش در ثانیه برای هر آنزیم وجود دارد. واکنش‌های طبیعی می‌توانند با سرعتی هزار برابر سریع‌تر پیش بروند.» مارن ناترمن می‌گوید، اینجاست که بیوشیمی مصنوعی وارد عمل می‌شود: «اگر ساختار و مکانیسم یک آنزیم را بدانید، می‌دانید کجا باید مداخله کنید. این کار بسیار مفید بوده است.»
بهینه‌سازی آنزیم شامل چندین رویکرد است: تبادل تخصصی بلوک‌های سازنده، تولید جهش تصادفی و انتخاب ظرفیت. مارن گفت: «هم فرمات و هم فرمالدئید بسیار مناسب هستند زیرا می‌توانند به دیواره‌های سلولی نفوذ کنند. ما می‌توانیم فرمات را به محیط کشت سلولی اضافه کنیم که آنزیمی تولید می‌کند که فرمالدئید حاصل را پس از چند ساعت به یک رنگ زرد غیرسمی تبدیل می‌کند.» ناترمن توضیح داد.
نتایج در چنین مدت زمان کوتاهی بدون استفاده از روش‌های با توان عملیاتی بالا امکان‌پذیر نبود. برای انجام این کار، محققان با شریک صنعتی خود، Festo در اسلینگن آلمان، همکاری کردند. مارن ناترمن می‌گوید: «پس از حدود ۴۰۰۰ تغییر، بازده خود را چهار برابر کردیم. بنابراین، ما پایه و اساس رشد میکروارگانیسم مدل E. coli، نیروی محرکه میکروبی بیوتکنولوژی، را روی اسید فرمیک ایجاد کرده‌ایم. با این حال، در حال حاضر، سلول‌های ما فقط می‌توانند فرمالدئید تولید کنند و نمی‌توانند بیشتر تغییر شکل دهند.»
با همکاری همکارش سباستین وینک از موسسه فیزیولوژی مولکولی گیاهی. محققان ماکس پلانک در حال حاضر در حال توسعه سویه‌ای هستند که می‌تواند واسطه‌ها را جذب کرده و آنها را به متابولیسم مرکزی وارد کند. همزمان، این تیم تحقیقاتی را در مورد تبدیل الکتروشیمیایی دی اکسید کربن به اسید فرمیک با یک گروه کاری در موسسه تبدیل انرژی شیمیایی ماکس پلانک به سرپرستی والتر لایتنر انجام می‌دهد. هدف بلندمدت، یک "پلتفرم یکسان برای همه" از دی اکسید کربن تولید شده توسط فرآیندهای الکتروبیوشیمیایی به محصولاتی مانند انسولین یا بیودیزل است.
مرجع: مارن ناترمن، سباستین ونک، پاسکال فیستر، های هی، سونگ هوانگ لی، ویتولد زیمانسکی، نیلز گونترمن، فایینگ ژو «توسعه یک آبشار جدید برای تبدیل فرمات وابسته به فسفات به فرمالدئید در شرایط آزمایشگاهی و درون تنی»، لنارت نیکل، شارلوت والنر، جان زارزیکی، نیکول پاچیا، نینا گایزرت، جیانکارلو فرانسیو، والتر لایتنر، رامون گونزالس و توبیاس جی. ارب، 9 مه 2023، ارتباطات طبیعت.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: خانه بهترین اخبار فناوری از سال ۱۹۹۸. از طریق ایمیل یا رسانه‌های اجتماعی از آخرین اخبار فناوری مطلع شوید. > با اشتراک رایگان، خلاصه اخبار را از طریق ایمیل دریافت کنید
محققان آزمایشگاه‌های Cold Spring Harbor دریافتند که SRSF1، پروتئینی که پیرایش RNA را تنظیم می‌کند، در پانکراس افزایش می‌یابد.