Η τεχνητή δέσμευση άνθρακα ξεπερνά τη φύση

Μια διεθνής συνεργασία έδειξε για πρώτη φορά ότι η συνθετική δέσμευση του άνθρακα μπορεί να λειτουργήσει σε ζωντανά συστήματα πιο αποτελεσματικά από ό,τι η φύση.

Οι ερευνητές στο εργαστήριο του Tobias Erb στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Χερσαία Μικροβιολογία ενσωμάτωσαν ένα συνθετικό μεταβολικό μονοπάτι σε ένα βακτήριο και έδειξαν ότι μπορεί να σχηματίσει σημαντικά περισσότερη βιομάζα από μυρμηκικό οξύ καιCO2 από ό,τι το φυσικό βακτηριακό στέλεχος.

Η φύση δεσμεύει το CO2 κυρίως στον λεγόμενο κύκλο Calvin, ο οποίος αποτελεί μέρος της φωτοσύνθεσης.

Ωστόσο, αυτό το φυσικό μονοπάτι δέσμευσης είναι περιορισμένο όσον αφορά την αποτελεσματικότητα.

Ερευνητές με επικεφαλής τον Tobias Erb έχουν ήδη αναπτύξει τεχνητούς κύκλους, όπως ο κύκλος cetch ή ο κύκλος theta, οι οποίοι είναι πιο αποτελεσματικοί από τον κύκλο Calvin της φύσης.

Τα μονοπάτια αυτά λειτουργούν ήδη σε δοκιμαστικούς σωλήνες, αλλά μέχρι στιγμής έχουν ενσωματωθεί μόνο εν μέρει σε ζωντανούς οργανισμούς.

Το CO2 μπορεί επίσης να σταθεροποιηθεί με φυσικοχημικές μεθόδους, για παράδειγμα με ηλεκτροχημική αναγωγήτου CO2 σε μυρμηκικό οξύ με χρήση ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας.

Δυστυχώς, αυτή η διαδικασία δεν μπορεί ακόμη να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία του μυρμηκικού οξέος σε σύνθετα μόρια όπως σάκχαρα ή πρωτεΐνες, επειδή η διαδικασία είναι εδώ πολύ αναποτελεσματική.

Ωστόσο, η οικοδόμηση βιομάζας από C1 σώματα όπως το μυρμηκικό οξύ και το CO2 είναι μια ειδικότητα των μικροοργανισμών. Στην πραγματικότητα, ορισμένα βακτήρια μπορούν να αναπτυχθούν με μυρμηκικό οξύ και να παράγουν πολυάριθμα προϊόντα. Επομένως, οι ερευνητές αναπτύσσουν επί του παρόντος υβριδικές διεργασίες που πρώτα δεσμεύουν φυσικοχημικά το CO2 σε μυρμηκικό οξύ και στη συνέχεια το επεξεργάζονται περαιτέρω μικροβιακά.

Βιώσιμες υβριδικές λύσεις

Καθώς πολλά βακτήρια στη φύση μετατρέπουν το μυρμηκικό οξύ μέσω του αναποτελεσματικού κύκλου Calvin, θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν τεχνητές εναλλακτικές λύσεις, όπως ο κύκλος cetch, για να γίνει το μικροβιακό μέρος αυτής της υβριδικής διαδικασίας πιο παραγωγικό και να παραχθούν τα επιθυμητά αρχικά προϊόντα πιο βιώσιμα.

Αλλά θα ήταν όντως οι συνθετικοί τεχνητοί τρόποι επεξεργασίας του άνθρακα πιο αποτελεσματικοί από τους φυσικούς σε μια άμεση σύγκριση;

Για να απαντήσει σε αυτό το ερώτημα, η ερευνητική ομάδα έβαλε στον αγώνα το "αναγωγικό μονοπάτι της γλυκίνης", το πιο αποτελεσματικό τεχνητό μεταβολικό μονοπάτι για την αφομοίωση του μυρμηκικού οξέος.

Για να δείξουν ότι μπορεί να ξεπεράσει τη φυσική δέσμευση άνθρακα που αντιπροσωπεύει ο κύκλος Calvin από άποψη ενέργειας, επέλεξαν το μη φωτοτροφικό βακτήριο Cupriavidus necator, το οποίο χρησιμοποιεί τον κύκλο Calvin για τη μετατροπή του μυρμηκικού οξέος.

Ένας από τους εταίρους της συνεργασίας, ο Nico Claassens από το Πανεπιστήμιο Wageningen, είχε ήδη καταφέρει να εισαγάγει την αναγωγική οδό της γλυκίνης σε αυτόν τον οργανισμό το 2020, αλλά οι ρυθμοί ανάπτυξης και, κυρίως, η απόδοση βιομάζας, η οποία αντανακλά τη μεταβολική αποτελεσματικότητα, ήταν χαμηλότεροι από ό,τι στο μη τροποποιημένο βακτήριο.

Βελτιστοποίηση μέσω εργαστηριακής εξέλιξης

Στη νέα μελέτη, η ερευνητική ομάδα μετέφερε το πλήρες αναγωγικό μονοπάτι της γλυκίνης στο γονιδίωμα του βακτηρίου, αλλά αυτή τη φορά βελτιστοποίησε την αποτελεσματικότητα του μονοπατιού.

Φόρτωσαν κινητά στοιχεία DNA που μπορούν να εισαχθούν τυχαία στο γονιδίωμα με τα τμήματα της μεταβολικής οδού.

Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν εργαστηριακή εξέλιξη για να βελτιστοποιήσουν την τροποποίηση του γονιδιώματος για ανάπτυξη σε μυρμηκικό οξύ, αυξάνοντας έτσι την αποτελεσματικότητά του.

"Τα κύτταρα στα οποία τα γονίδια του αναγωγικού μονοπατιού της γλυκίνης είχαν εισαχθεί και μεταγραφεί ευνοϊκά αναπτύχθηκαν καλύτερα από άλλα κύτταρα και επιλέχθηκαν περαιτέρω από εμάς έως ότου η παραγωγή τους ήταν κοντά στο φυσιολογικό βέλτιστο", εξηγεί ο Beau Dronsella, πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

Στην επακόλουθη σύγκριση σε βιοαντιδραστήρα, το τεχνητά τροποποιημένο και βελτιστοποιημένο στέλεχος παρήγαγε σημαντικά περισσότερη βιομάζα από μυρμηκικό οξύ και CO2 σε σχέση με το φυσικό βακτηριακό στέλεχος. Οι ερευνητές μέτρησαν μάλιστα υψηλότερες αποδόσεις βιομάζας από ό,τι με όλους τους συγκρίσιμους οργανισμούς που χρησιμοποιούν τον κύκλο Calvin ή συνθετικές οδούς για την αξιοποίηση του μυρμηκικού οξέος. Ωστόσο, το τεχνητά τροποποιημένο στέλεχος ήταν μόνο κατά το ήμισυ ταχύτερο από το φυσικό στέλεχος.

Ωστόσο, οι ερευνητές είναι βέβαιοι ότι και αυτό το χάσμα μπορεί να μειωθεί μέσω της προσαρμοστικής εργαστηριακής εξέλιξης.

Η απόδειξη ότι η συνθετική βιολογία μπορεί όντως να χρησιμοποιηθεί πιο αποτελεσματικά σε ένα βιοτεχνολογικό πλαίσιο για τη δέσμευση άνθρακα δεν αφορά μόνο την αναγωγική οδό της γλυκίνης που περιγράφεται εδώ, αλλά και πολλές από τις τεχνητές μεταβολικές οδούς που περιγράφονται.

"Το αποτέλεσμά μας κρύβει μεγάλες δυνατότητες για τη βιώσιμη βιοπαραγωγή από μυρμηκικό οξύ και θα μπορούσε επίσης να καταστήσει τις ήδη καθιερωμένες βιοπαραγωγές ακόμη πιο αποτελεσματικές", λέει ο Beau Dronsella.

"Το μυρμηκικό οξύ θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί ως χημικός φορέας ενέργειας, παρόμοιος με το υδρογόνο, για την αποθήκευση της πλεονάζουσας ανανεώσιμης ενέργειας στο μέλλον και τη χρήση της για τη βιοπαραγωγή".

Για τον Tobias Erb, η μελέτη αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για τον νεαρό τομέα της συνθετικής βιολογίας: "Είναι συναρπαστικό το γεγονός ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη συνθετική βιολογία για να σχεδιάσουμε νέες λύσεις μέσα σε λίγα χρόνια που λειτουργούν πιο αποτελεσματικά από ό,τι έχει εξελιχθεί στη φύση επί δισεκατομμύρια χρόνια".

Πηγές:
Ινστιτούτο Max Planck