15 مايو 2023 (أخبار Nanowerkلا يمكن أن تساعد المسارات الأيضية الاصطناعية الجديدة لتثبيت ثاني أكسيد الكربون في تقليل محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي فحسب ، بل يمكن أيضًا أن تحل محل عمليات التصنيع الكيميائية التقليدية للأدوية والمكونات النشطة بعمليات بيولوجية محايدة الكربون. دراسة جديدة (طبيعة الاتصالات, "هندسة سلسلة جديدة إلى الطبيعة للفورمات المعتمد على الفوسفات لتحويل الفورمالديهايد في المختبر وفي الجسم الحي") يوضح عملية يمكن أن تحول ثاني أكسيد الكربون إلى مادة قيمة لصناعة الكيمياء الحيوية عبر حمض الفورميك. في ضوء ارتفاع انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، يعتبر احتجاز الكربون ، وعزل ثاني أكسيد الكربون من مصادر الانبعاثات الكبيرة ، قضية ملحة. في الطبيعة ، تم استيعاب ثاني أكسيد الكربون لملايين السنين ، لكن قدرته بعيدة عن أن تكون كافية لتعويض الانبعاثات من صنع الإنسان. يمكن تصور فورمات في صميم الاقتصاد الحيوي المحايد للكربون ، حيث يتم إنتاجه من ثاني أكسيد الكربون2 بوسائل كيميائية (كهربائية) وتحويلها إلى منتجات ذات قيمة مضافة عن طريق شلالات إنزيمية أو ميكروبات هندسية. تتمثل إحدى الخطوات الرئيسية في توسيع استيعاب الفورمات الاصطناعية في تقليله الديناميكي الحراري إلى الفورمالديهايد ، والذي يظهر هنا كتغير اللون الأصفر. (الصورة: معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية ، جيزل) يستخدم الباحثون بقيادة توبياس إيرب من معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية مجموعة أدوات الطبيعة لتطوير طرق جديدة لتثبيت ثاني أكسيد الكربون. لقد نجحوا الآن في تطوير مسار أيضي اصطناعي ينتج الفورمالديهايد شديد التفاعل من حمض الفورميك ، وهو منتج وسيط محتمل لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي. يمكن تغذية الفورمالديهايد مباشرة في العديد من مسارات التمثيل الغذائي لتكوين مواد أخرى ذات قيمة دون أي آثار سامة. كما هو الحال في العملية الطبيعية ، هناك حاجة إلى عنصرين أساسيين: الطاقة والكربون. يمكن توفير الأول ليس فقط عن طريق ضوء الشمس المباشر ولكن أيضًا بالكهرباء - على سبيل المثال من الوحدات الشمسية.

حمض الفورميك هو لبنة بناء C1

داخل سلسلة القيمة المضافة ، يكون مصدر الكربون متغيرًا. ثاني أكسيد الكربون ليس الخيار الوحيد هنا ، فجميع المركبات الكربونية الأحادية (لبنات بناء C1) موضع تساؤل: أول أكسيد الكربون ، وحمض الفورميك ، والفورمالدهيد ، والميثانول ، والميثان. ومع ذلك ، فإن جميع هذه المواد تقريبًا شديدة السمية - إما للكائنات الحية (أول أكسيد الكربون ، والفورمالديهايد ، والميثانول) أو لكوكب الأرض (الميثان كغاز دفيئة). فقط حمض الفورميك ، عند تحييده إلى فورماته الأساسية ، يتحمله العديد من الكائنات الحية الدقيقة بتركيزات عالية. "حمض الفورميك هو مصدر واعد جدًا للكربون" ، هذا ما يؤكده مارين ناترمان ، المؤلف الأول للدراسة. "لكن تحويله إلى الفورمالديهايد في أنبوب الاختبار يستهلك الكثير من الطاقة." وذلك لأن ملح حمض الفورميك لا يمكن تحويله بسهولة إلى فورمالديهايد. "هناك حاجز كيميائي خطير بين الجزيئين يجب أن نربطه بالطاقة الكيميائية الحيوية - ATP - قبل أن نتمكن من إجراء التفاعل الفعلي." كان هدف الباحث هو إيجاد طريقة أكثر اقتصادا. بعد كل شيء ، كلما قلت الطاقة اللازمة لتغذية الكربون في عملية التمثيل الغذائي ، زادت الطاقة المتبقية لدفع النمو أو الإنتاج. لكن مثل هذا المسار غير موجود في الطبيعة. يقول توبياس إيرب: "يتطلب الأمر بعض الإبداع لاكتشاف ما يسمى بالإنزيمات المختلطة ذات الوظائف المتعددة". ومع ذلك ، فإن اكتشاف الإنزيمات المرشحة ليس سوى البداية. نحن نتحدث عن ردود الفعل التي يمكنك الاعتماد عليها لأنها بطيئة للغاية - في بعض الحالات ، أقل من رد فعل واحد في الثانية لكل إنزيم. يمكن أن تحدث ردود الفعل الطبيعية أسرع ألف مرة ". وهنا يأتي دور الكيمياء الحيوية التركيبية ، كما تقول مارين ناترمان: "إذا كنت تعرف بنية الإنزيم وآليته ، فأنت تعرف أين تتدخل. هنا ، نستفيد بشكل كبير من العمل التمهيدي لزملائنا في البحث الأساسي ".

تعمل تقنية الإنتاجية العالية على تسريع تحسين الإنزيم

يتكون تحسين الإنزيمات من عدة طرق: تم تبادل كتل البناء على وجه التحديد ، وتم إنشاء طفرات عشوائية واختيارها للقدرة. "الفورمات والفورمالديهايد مناسبان بشكل رائع لأنهما يخترقان جدران الخلايا. يمكننا وضع فورمات في وسط استزراع الخلايا التي تنتج الإنزيمات ، وبعد بضع ساعات نحول الفورمالديهايد المنتج إلى صبغة صفراء غير سامة ، "تشرح مارين ناترمان. لم تكن النتيجة ممكنة في مثل هذا الوقت القصير بدون استخدام طرق عالية الإنتاجية. لتحقيق ذلك ، تعاون الباحثون مع شريكهم الصناعي Festo ، ومقره في Esslingen ، ألمانيا. تقول Maren Nattermann: "بعد حوالي 4000 متغير ، حققنا تحسنًا بأربعة أضعاف في الإنتاج". وبالتالي ، فقد أنشأنا الأساس لنموذج ميكروب Escherichia coli ، العمود الفقري الميكروبي للتكنولوجيا الحيوية ، لينمو على حمض الفورميك. ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، لا تستطيع خلايانا سوى إنتاج الفورمالديهايد ، وليس تحويلها مرة أخرى ". مع شريك التعاون سيباستيان وينك في معهد ماكس بلانك لعلم وظائف الأعضاء الجزيئي للنباتات ، يعمل الباحثون حاليًا على تطوير سلالة يمكنها تناول المواد الوسيطة وإدخالها في عملية التمثيل الغذائي المركزية. في موازاة ذلك ، يجري الفريق بحثًا مع مجموعة عمل في معهد ماكس بلانك لتحويل الطاقة الكيميائية برئاسة والتر لايتنر حول التحويل الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك. الهدف طويل المدى هو "منصة الكل في واحد" - من ثاني أكسيد الكربون عبر عملية كيميائية بيولوجية إلى منتجات مثل الأنسولين أو وقود الديزل الحيوي.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• أفلاطونايستريم. ذكاء بيانات Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• سك المستقبل مع أدرين أشلي. الوصول هنا.
• شراء وبيع الأسهم في شركات ما قبل الاكتتاب مع PREIPO®. الوصول هنا.
• المصدر https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=62992.php