- CO₂ odpadowy.
- Sztuczny metabolizm.
- Chemia bez żywych komórek.
- Ponowne wykorzystanie węgla.
- Neutralne materiały i paliwa.
- Biologia zaprojektowana, a nie naturalna.
Nowy system z powodzeniem przekształca proste cząsteczki węgla w acetylo-CoA, kluczowy element biochemii, który służy jako podstawa do produkcji wielu materiałów.
Aby zbudować ten system, naukowcy przeanalizowali 66 enzymów i ponad 3000 wariantów enzymatycznych.
Praca ta może doprowadzić do opracowania zrównoważonych paliw i materiałów o potencjalnie neutralnym śladzie węglowym.
W przełomowym odkryciu, które łamie klasyczne zasady biologii, naukowcy ze Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Northwestern stworzyli sztuczny metabolizm zdolny do przekształcania dwutlenku węgla w użyteczne bloki chemiczne. Nie chodzi o ulepszanie tego, co robi natura, ale o wynalezienie nowych szlaków metabolicznych, które dotychczas nie istniały.
Opracowany system przekształca mrówczan — prostą cząsteczkę cieczy, którą można uzyskać z atmosferycznego CO₂ przy użyciu energii elektrycznej — w acetylo-CoA, uniwersalny metabolit obecny we wszystkich żywych komórkach. W ramach praktycznej demonstracji zespół wykorzystał następnie ten acetylo-CoA do produkcji jabłczanu, związku stosowanego w żywności, kosmetykach i biodegradowalnych tworzywach sztucznych.
W przeciwieństwie do naturalnych szlaków metabolicznych, system ten jest całkowicie syntetyczny i działa poza jakimkolwiek żywym organizmem. Zespół reakcji, nazwany Reductive Formate Pathway (ReForm), został zbudowany z enzymów zaprojektowanych do przeprowadzania przemian chemicznych, których ewolucja nigdy nie rozwinęła.
Wynik ten stanowi znaczący krok naprzód w dziedzinie biologii syntetycznej stosowanej w recyklingu węgla, którego implikacje wykraczają poza laboratorium.
Wykraczając poza naturę
W poszukiwaniu rozwiązań problemu globalnego ocieplenia wiele strategii koncentruje się na wychwytywaniu CO₂. Prawdziwe wyzwanie zaczyna się później: co z nim zrobić. Przekształcenie go w coś użytecznego, stabilnego i mającego wartość ekonomiczną jest trudnym zadaniem.
Formaldehyd zyskał na znaczeniu jako punkt wyjścia, ponieważ można go stosunkowo wydajnie wytwarzać z wody, CO₂ i energii odnawialnej. Na papierze jest idealnym kandydatem. W praktyce jednak biologia naturalna nie bardzo wie, co z nim zrobić. Tylko kilka mikroorganizmów metabolizuje go, i to niekoniecznie z wydajnością przemysłową.
W tym miejscu podejście zespołu robi różnicę. Zamiast zmuszać komórki do robienia czegoś, do czego nie są przystosowane, zaprojektowali od podstaw ścieżkę metaboliczną. Najpierw koncepcja. Następnie niezbędne enzymy, nawet jeśli nie istniały wcześniej w naturze.
Jak wyjaśnił Michael Jewett, główny autor badania, celem nie było naśladowanie znanych procesów biologicznych, ale otwarcie zupełnie nowych dróg do bardziej wydajnej gospodarki węglowej, mniej zależnej od zasobów kopalnych.
Testowanie tysięcy enzymów każdego tygodnia
Aby zbudować ReForm, zespół potrzebował enzymów zdolnych do katalizowania niespotykanych dotąd reakcji. Rozwiązaniem było wykorzystanie syntezy biologicznej bez komórek. Zamiast pracować z żywymi organizmami, wyodrębniono niezbędne mechanizmy molekularne i umieszczono je w kontrolowanym środowisku, w probówce.
Takie podejście pozwala na znacznie szybsze przeprowadzanie eksperymentów. Podczas gdy w systemach komórkowych testowanie kilku enzymów może trwać miesiące, w tym przypadku możliwe było ocenianie tysięcy wariantów każdego tygodnia. W sumie przeanalizowano 66 różnych enzymów i ponad 3000 zmodyfikowanych wersji, aż do znalezienia najskuteczniejszych kombinacji.
Ponadto praca poza żywymi komórkami eliminuje wiele ograniczeń: toksyczność, zakłócenia metaboliczne, niedoskonałą kontrolę warunków. Wszystko jest dopasowane co do milimetra. Stężenia, kofaktory, temperatura. Chirurgiczna precyzja.
Jak to działa
Ostateczny system łączy pięć specjalnie zaprojektowanych enzymów w sekwencji sześciu reakcji chemicznych. Każdy etap pełni określoną funkcję, a razem pozwalają one przekształcić mrówczan w acetylo-CoA z niezwykłą wydajnością jak na całkowicie sztuczny system.
Po zatwierdzeniu podstawowego procesu naukowcy wykazali jego wszechstronność, przekształcając acetylo-CoA w jabłczan.
Sprawdzili również, że ścieżka ta może akceptować inne związki bogate w węgiel, takie jak formaldehyd lub metanol, co zwiększa jej potencjał zastosowania.
Cały proces odbywa się poza komórkami. Nie jest to drobny szczegół. Oznacza to, że można go skalować, modyfikować i optymalizować bez typowych ograniczeń biologicznych. Jest to rodzaj modułowej fabryki biochemicznej, zaprojektowanej element po elemencie.
Potencjał
W perspektywie średnioterminowej technologie takie jak ReForm mogą zasilać produkcję biodegradowalnych tworzyw sztucznych, paliw syntetycznych lub składników chemicznych, które obecnie są pozyskiwane z ropy naftowej. Nie zastąpią one od razu tradycyjnego przemysłu chemicznego, ale mogą stopniowo zmniejszać jego ślad węglowy.
Dobrze wpisują się również w modele zdecentralizowane: małe zakłady podłączone do źródeł CO₂ i lokalnej energii odnawialnej. Bardziej rozproszony przemysł. Mniej transportu. Mniejsza zależność od czynników zewnętrznych.
W perspektywie długoterminowej podejście to wzmacnia kluczową ideę zrównoważonego rozwoju: CO₂ nie jest tylko problemem, który należy zakopać, ale źródłem źle zarządzanym. Nauka efektywnego, bezpiecznego i ekonomicznie opłacalnego ponownego wykorzystania CO₂ może zadecydować o tym, czy transformacja energetyczna będzie niepełna, czy naprawdę przełomowa.
To nie jest science fiction. To celowo zaprojektowana biochemia. A to zmienia wiele rzeczy.
