15 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 뉴스) 이산화탄소 고정을 위한 새로운 합성 대사 경로는 대기 중 이산화탄소 함량을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 의약품 및 활성 성분에 대한 기존의 화학 제조 공정을 탄소 중립적인 생물학적 공정으로 대체할 수 있습니다. 새로운 연구(자연 통신, "체외 및 생체 내에서 인산염 의존 포름산염을 포름알데히드로 전환시키는 새로운 자연 캐스케이드 엔지니어링")는 포름산을 통해 이산화탄소를 생화학 산업을 위한 귀중한 물질로 전환할 수 있는 공정을 보여줍니다. 온실가스 배출이 증가함에 따라 대규모 배출원에서 이산화탄소를 격리하는 탄소 포집이 시급한 문제가 되었습니다. 자연에서 이산화탄소 동화작용은 수백만 년 동안 진행되어 왔지만 그 용량은 인간이 만든 배출물을 보상하기에는 충분하지 않습니다.
포름산염은 CO에서 생산되는 탄소 중립 바이오경제의 핵심으로 구상될 수 있습니다.2 (전기)화학적 수단에 의해 생산되고 효소 폭포 또는 조작된 미생물에 의해 부가가치 제품으로 전환됩니다. 합성 포름산염 동화를 확장하는 핵심 단계는 열역학적으로 어려운 포름알데히드 환원입니다. 여기서는 노란색 변화로 표시됩니다. (이미지: 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소, Geisel) 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소의 Tobias Erb가 이끄는 연구원들은 자연의 도구 상자를 사용하여 새로운 이산화탄소 고정 방법을 개발하고 있습니다. 이제 그들은 인공 광합성의 중간 생성물인 포름산으로부터 반응성이 높은 포름알데히드를 생성하는 인공 대사 경로를 개발하는 데 성공했습니다. 포름알데히드는 독성 영향 없이 다른 중요한 물질을 형성하기 위해 여러 대사 경로에 직접 공급될 수 있습니다. 자연 과정과 마찬가지로 에너지와 탄소라는 두 가지 주요 구성 요소가 필요합니다. 전자는 직사광선뿐만 아니라 전기(예: 태양광 모듈)를 통해서도 제공될 수 있습니다.
포름산염은 CO에서 생산되는 탄소 중립 바이오경제의 핵심으로 구상될 수 있습니다.2 (전기)화학적 수단에 의해 생산되고 효소 폭포 또는 조작된 미생물에 의해 부가가치 제품으로 전환됩니다. 합성 포름산염 동화를 확장하는 핵심 단계는 열역학적으로 어려운 포름알데히드 환원입니다. 여기서는 노란색 변화로 표시됩니다. (이미지: 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소, Geisel) 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소의 Tobias Erb가 이끄는 연구원들은 자연의 도구 상자를 사용하여 새로운 이산화탄소 고정 방법을 개발하고 있습니다. 이제 그들은 인공 광합성의 중간 생성물인 포름산으로부터 반응성이 높은 포름알데히드를 생성하는 인공 대사 경로를 개발하는 데 성공했습니다. 포름알데히드는 독성 영향 없이 다른 중요한 물질을 형성하기 위해 여러 대사 경로에 직접 공급될 수 있습니다. 자연 과정과 마찬가지로 에너지와 탄소라는 두 가지 주요 구성 요소가 필요합니다. 전자는 직사광선뿐만 아니라 전기(예: 태양광 모듈)를 통해서도 제공될 수 있습니다.
포름산은 C1 빌딩 블록입니다.
부가가치 사슬 내에서 탄소원은 다양합니다. 여기서 이산화탄소는 유일한 선택 사항이 아니며 일산화탄소, 포름산, 포름알데히드, 메탄올 및 메탄과 같은 모든 단일탄소(C1 빌딩 블록)가 문제가 됩니다. 그러나 이러한 물질은 거의 모두 살아있는 유기체(일산화탄소, 포름알데히드, 메탄올) 또는 지구(온실가스인 메탄)에 매우 독성이 있습니다. 포름산만이 염기 포름산염으로 중화될 때 고농도의 많은 미생물이 견딜 수 있습니다. 이번 연구의 제XNUMX저자인 Maren Nattermann은 “포름산은 매우 유망한 탄소원입니다.”라고 강조합니다. "그러나 시험관에서 이를 포름알데히드로 전환하는 것은 상당히 에너지 집약적입니다." 이는 포름산의 염인 포메이트가 포름알데히드로 쉽게 전환되지 않기 때문입니다. "실제 반응을 수행하기 전에 생화학 에너지인 ATP와 연결해야 하는 두 분자 사이에는 심각한 화학적 장벽이 있습니다." 연구자의 목표는 보다 경제적인 방법을 찾는 것이었습니다. 결국, 신진대사에 탄소를 공급하는 데 필요한 에너지가 줄어들수록 성장이나 생산을 촉진하는 데 더 많은 에너지가 남아 있습니다. 그러나 자연에는 그런 길이 존재하지 않습니다. Tobias Erb는 “다양한 기능을 가진 소위 난잡한 효소를 발견하려면 약간의 창의성이 필요합니다.”라고 말합니다. “그러나 후보 효소의 발견은 시작에 불과합니다. 우리는 반응이 매우 느리기 때문에 함께 셀 수 있는 반응에 대해 이야기하고 있습니다. 어떤 경우에는 효소당 초당 반응이 XNUMX회 미만입니다. 자연스러운 반응은 수천 배 더 빠르게 일어날 수 있습니다.” Maren Nattermann은 이것이 바로 합성 생화학이 등장하는 지점이라고 말합니다. “효소의 구조와 메커니즘을 안다면 어디에 개입해야 할지 알 수 있습니다. 여기에서 우리는 동료들의 기초 연구 예비 작업을 통해 상당한 이점을 얻었습니다.”높은 처리량 기술로 효소 최적화 속도 향상
여러 가지 접근 방식으로 구성된 효소의 최적화: 빌딩 블록을 구체적으로 교환하고 무작위 돌연변이를 생성하여 기능을 선택했습니다. “포름산염과 포름알데히드는 둘 다 세포벽을 관통하기 때문에 매우 적합합니다. 우리는 효소를 생산하는 세포의 배양 배지에 포름산염을 넣고 몇 시간 후에 생성된 포름알데히드를 무독성 노란색 염료로 전환할 수 있습니다.”라고 Maren Nattermann은 설명합니다. 높은 처리량의 방법을 사용하지 않았다면 이렇게 짧은 시간 안에 결과를 얻을 수 없었을 것입니다. 이를 달성하기 위해 연구원들은 독일 에슬링겐에 본사를 둔 산업 파트너인 Festo와 협력했습니다. Maren Nattermann은 “약 4000개의 변형을 거친 후 생산이 XNUMX배 향상되었습니다.”라고 말합니다. “따라서 우리는 생명공학의 주요 미생물인 모델 mikrobe Escherichia coli가 포름산에서 성장할 수 있는 기반을 만들었습니다. 그러나 현재 우리 세포는 포름알데히드만 생산할 수 있을 뿐 더 이상 변환할 수는 없습니다.” 연구진은 막스 플랑크 분자 식물 생리학 연구소의 협력 파트너인 Sebastian Wenk와 함께 현재 중간체를 흡수하고 이를 중앙 대사에 도입할 수 있는 균주를 개발하고 있습니다. 동시에, 팀은 Walter Leitner가 이끄는 막스 플랑크 화학 에너지 변환 연구소의 실무 그룹과 함께 이산화탄소를 포름산으로의 전기화학적 전환에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 장기적인 목표는 전기생화학 공정을 통한 이산화탄소부터 인슐린이나 바이오디젤과 같은 제품에 이르기까지 "올인원 플랫폼"입니다.- SEO 기반 콘텐츠 및 PR 배포. 오늘 증폭하십시오.
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- 출처: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=62992.php
