מסלול סינתטי ביולוגי מטבולי מתקן את ה- CO2 ביעילות רבה יותר מאשר בצמחים

Design at the Intersection of Technology and Biology | Neri Oxman | TED Talks (יולי 2019).

Anonim

בעתיד, ניתן היה להסיר את דו תחמוצת הפחמן בגזי החממה מהאטמוספרה באמצעות פריסה של שיטה ביולוגית חדשה. צוות בראשותו של טוביאס ארב, מנהיג קבוצת מחקר במכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה של כדור הארץ במרבורג, פיתח מסלול מטבולי סינתטי אך ביולוגי לחלוטין המבוסס על מודל הפוטוסינתזה, אשר מתקן את פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה ב -20% ביעילות רבה יותר צמחים יכולים לצלם באופן פוטוסיניטי. החוקרים תכננו בתחילה את המערכת החדשה, שאותה הציגו בשבועון " Science" השבוע, על לוח השרטוט והפכו אותו למציאות במעבדה.

שינוי האקלים הוא אחד האתגרים הדוחקים ביותר של זמננו. ריכוז דו תחמוצת הפחמן (CO2) באטמוספירה הנובעת מפעילות אנושית גדל בהתמדה מאז תחילת המהפכה התעשייתית. כל הראיות המדעיות מלמדות כי גידול זה מחריף את השפעת החממה ומשנה את האקלים. התוצאות כבר ברורות. על מנת להתגבר על האתגר הסביבתי, כמו גם על האתגר החברתי של שינוי האקלים, "עלינו למצוא דרכים חדשות לסילוק CO2 מופרז מהאוויר ולהפיכתו למשהו מועיל", הדגיש ארב, שמוביל קבוצת מחקר של מכון מקס פלנק במרבורג.

תיאורטית, הבעיה יכולה להיות להתמודד באמצעות פרודוקטיביות גבוהה יותר בחקלאות וייעור. הסיבה לכך היא כי צמחים לתקן פחמן דו חמצני מן האטמוספירה באמצעות פוטוסינתזה. הם מייצרים סוכר לאוכל מן CO2 דרך תהליך הדרגתי המכונה מחזור קלווין. כל צעד ביוכימי יחיד לקראת ייצור הסוכר הוא יזום או מואץ על ידי האנזים שלו. Biocatalysts שונים מיושרים בדיוק אחד עם השני כדי להבטיח שהם יכולים לעבוד יחד. עם זאת, יש בעיה. אנזים תיקון CO2 במחזור קלווין בצמחים, אשר ידוע על ידי מומחים כמו RuBisCo, הוא איטי יחסית. זה גם עושה לעיתים קרובות טעויות. RuBisCo לוכדת מולקולת חמצן במקום CO2 באחד מכל חמישה תגובות.

אנזים חיידקי מתקן CO2 במדויק במהירות גבוהה

"אנזימים תיקון CO2 באיכות שונה לחלוטין נמצאים בטבע", הדגיש ארב. אנזימים כאלה, אשר מהיר ויעיל יותר RuBisCo בצמחים, לעבוד באופן טבעי בחילוף החומרים של מיקרואורגניזמים. ארב עצמו הצליח לבודד את אחד האנזימים האלה - עם השם הבלתי ניתן לביטוי של "קרוטוניל-ק"א קרבוקסילאז / רדוקטאז" - מחיידקים. האנזים הזה כמעט אף פעם לא עושה טעויות וגם הוא טעון-טעון, כביכול, עובד במהירות פי עשרים ממהירותו בעולם הצומח.

בעוד המכון הפדרלי של טכנולוגיה ציריך, Erb וצוותו החלו לחקור כיצד טורבו אנזים ניתן לפרוס להמיר CO2 לתוך תרכובות פחמן אורגני. זה דורש אנזימים נוספים כמו במחזור קלווין. עם זאת, החוקרים לא יכלו פשוט להעביר אותם ממחזור קלווין כי biocatalysts שלהם לא היו תואמים את האנזים טורבו.

מסלול מטבולי עם 17 אנזימים מתשע אורגניזמים

טוביאס ארב עיצב בתחילה מחזור תיאורטי חדש המכונה CETCH - אשר מייצג את קרוטוניל-קוא / אתילמלוניל-קוא / הידרוקססיבוטריל-קוא - עם אנזימים תואמים פוטנציאליים וכל התגובות הביוכימיות. מתוך מאגרי מידע המכילים 40, 000 אנזימים ידועים, הוא זיהה כמה עשרות מועמדים שיכולים לבצע את המשימות הנדרשות.

הצוות של ארב שילב אז את כל האנזימים במבחנה כדי לייצר "מחזור אופטימלי שביצע בצורה יציבה" תוך שנתיים בלבד. החוקרים בדקו בלי הרף biocatalysts חדשים, אשר היו לעתים קרובות מהונדסים גנטית, וניסה את השילובים החדשים של אנזימים כדי למצוא את המערכת שבה הרכיבים ביצעו בצורה אופטימלית.

התוצאה הסופית היתה מחזור סינתטי של תיקון CO2, דבר אשר, לפי ארב מודע, "אף אחד לא השיג אי פעם בעבר." בסך הכל 17 אנזימים שונים, כולל שלושה "אנזימים מעצב", משמשים מתשע אורגניזמים שונים כולל בני אדם. השורה התחתונה היא כי מחזור CETCH, שבו החוקרים מבוססי Marburg לחקות תגובה כהה של פוטוסינתזה, מתקן CO2 ביעילות 20% יותר מאשר מחזור קלווין בצמחים.

מחזור ה- CETCH יכול לייצר חומרים שונים

מסלול מטבולי סינתטי של צוות מקס פלאנק במרבורג ולכן מייצג הישג חלוצי בתחום הביולוגיה הסינתטית. המדענים מקווים להשתמש בו כדי ליצור מערכות חדשות אורגניזמים מועיל לבני אדם על בסיס עקרונות ביולוגיים.

האנרגיה במחזור המודל של ארב מגיעה כיום מתגובה כימית ולא מאור כמו פוטוסינתזה בצמחים, ובסופו של דבר מייצרת חומצות גליוקסיליות. "עם זאת, מחזור CETCH יכול להיות שונה כדי לייצר חומרי גלם עבור ביודיזל, למשל, " הסביר החוקר מרבורג מבוסס, או אכן אנטיביוטיקה וחומרים רבים אחרים.

יישום חיידקים, אצות או בשילוב עם תאים סולריים

הגנים הדרושים למחזור יכול להיות מועבר חיידקים או אצות ליישום מעשי. אלה מיקרואורגניזמים שונה היה אז לייצר את המוצר הנדרש יכול פשוט להשתמש CO2 מן האטמוספירה לעשות זאת. הם יהיו המרת גז החממה אטמוספרי בצורה מועילה. עם זאת, מחזור CETCH יכול גם להיות מצמידים עם תאים סולריים ואת האלקטרונים שהם מספקים ניתן להשתמש כדי להמיר CO2 לתוך תרכובות כימיות שימושיות.

חזיונות כאלה כבר אינם מופיעים מעבר לתחומי הכדאיות הטכנית. מחקר אינטנסיבי מתבצע כעת על ידי MaxSynBio של החברה MaxSynBio מקס פלנק על רכישת ידע על איך תהליכים ביולוגיים חדשים ניתן ליצור מאפס. טוביאס ארב מקווה למלא תפקיד בסיוע להבין את עקרונות הבנייה הבסיסיים של מטבוליזם. "המחקר שלנו נועד להמציא מחדש את ההמרה של CO2 דומם לתוך חומר אורגני.חלום שלנו הוא ליצור מטבוליזם סינתטי 2.0 באמצעות אנזימים מותאמים אשר יכולים לייצר כל מתחם CO2."

menu
menu