С изкуствена фотосинтеза срещу климатичните промени

Пътят свързва въглеродния диоксид с 20 процента по-ефективно от растителния свят

Нов, изкуствен реакционен цикъл свързва CO2 с 20 процента по-ефективно от фотосинтезата на растенията © MPI за наземна микробиология / Институт за съвместни геноми
чете на глас

Към новите консуматори на CO2: изследователите са разработили реакционен цикъл, който абсорбира CO2 и го превръща в органични съединения. Той действа като фотосинтезата на растенията, но е с 20 процента по-ефективен. Акцентът на това: Въпреки че този път на реакция е създаден на чертожната дъска, той използва ензими и процеси от природата. Следователно той може да бъде включен в водорасли или бактерии и да ги направи мощни поглъщащи CO2, както съобщават изследователите в списание „Science“.

Къде да отида с въглеродния двуокис? Изправени пред доста ориентировъчния напредък в класическата защита на климата и постоянно повишаващите се нива на CO2, изследователите по целия свят търсят начини за конкретно отстраняване на CO2 от отработените газове или от въздуха. Първите подходи са отлагане и подземно съхранение (CCS), но също и фосилизация чрез свързване в базалтска скала. За филтриране на CO2 от въздуха обаче почти няма практически методи.

Калвин цикъл като модел

Сега обаче Тобиас Ерб от Института за земна микробиология на Макс Планк в Марбург и колегите му може би са намерили решение. Използвайки методи на синтетична биология, те са разработили цикъл на биохимична реакция, който подобно на растенията свързва CO2 и го превръща в органични молекули, правейки го по-бързо и по-добре от нормалните растения.

Отправната точка беше цикъла на калвариране на растенията - веригата от химични реакции, които превръщат CO2 в захар при фотосинтеза. В този цикъл всеки един етап на реакция се инициира и катализира от специален ензим. Подобно на предавките в трансмисия, те са перфектно съчетани.

подход отдолу-нагоре

Но: По ирония на съдбата, решаващият, свързващ CO2 ензим, RuBisCo, е доста бавен и често погрешно използва O2 вместо CO2. „Съществуват фиксиращи СО2 ензими с съвсем различно качество по природа“, казва Ерб. Един от тях, например, кротонил-CoA карбоксилаза / редуктаза, работи в някои микроорганизми - но химически не съответства на останалата част от цикъла на калвария. показ

Съставен от 17 ензима стъпка по стъпка - цикълът CETCH е създаден на дъската mediomix / MPI за наземна микробиология

Вместо да се опитват по някакъв начин да вмъкнат този ензим в цикъла на готварството, Ерб и неговите колеги избраха подхода „отдолу нагоре“: разработиха изцяло нов изкуствен цикъл, който беше Той работи като метаболитен път на растението, но с други, по-ефективни компоненти. „Това означаваше, че не е нужно да ограничаваме експериментите си до известните ензими, но можем да разгледаме всички потенциално подходящи биохимични реакции“, обяснява Ерб.

Ензим, съставен за ензим

На първо място, изследователите проектираха теоретичния ход на този цикъл и така определиха кои различни етапи на реакция са необходими и кои катализатори са необходими за това. Тогава учените претърсиха молекулярни бази данни за химични съединения, които биха били подходящи ензими за техния цикъл. След скрининга на около 40 000 ензими останаха няколко десетки кандидати.

Две години изследователите работиха за тестване и оптимизиране на ензимите, докато най-накрая намериха правилните зусаммени и ги събраха заедно, за да образуват стабилен, оптимизиран цикъл. Състои се от 17 различни ензими от девет различни организма. Изследователите са нарекли този изкуствен въглерод-свързващ път CETCH къс за кротонил-CoA / етилмалонил-CoA / хидроксибутирил-CoA.

Така изследователите разработиха своя изкуствен фотосинтез DOE Joint Genome Institute

20 процента по-ефективно

„Цикълът CETCH е следователно седма, изкуствена алтернатива на шестте естествено разработени пътя на фиксиране на CO2“, казват изследователите. Клубът на целия: Цикълът CETCH съдържа ензим, свързващ CO2, който свързва парниковите газове 20 пъти по-бързо от RuBisCo на растенията и почти никога не е грешен.

Това прави цикълът на CETCH с 20 процента по-ефективен от фотосинтетичното свързване на CO2 на растенията, съобщават изследователите. Това е почти турбо версия на цикъла на зеленчуковата калвария.

Приложение при водорасли или бактерии

Ако този метаболитен път се включи в водорасло или бактерия, много повече CO2 може да се абсорбира от въздуха, отколкото от нормалните растения. Цикълът CETCH може също да бъде свързан със слънчеви клетки и да използва електроните, които доставят за преобразуване на CO2.

Друго предимство: кой краен продукт се произвежда по време на цикъла CETCH, може да бъде адаптиран. Засега крайният продукт е глиоксалова киселина, но може да бъде и биодизел, антибиотици или много други вещества. „Нашата наука има за цел да възобнови трансформацията на неодушевения CO2 в органична материя“, казва Ерб. „Нашата мечта е да използваме персонализирани ензими, за да създадем синтетичен метаболизъм 2.0, който може да произведе всяка комбинация от CO2.“ (Science, 2016; doi: 10.1126 / science aah5237)

(Общество Макс Планк / Институт за съвместни геноми, 18.11.2016 г. - НКО)