Учени създадоха система за превръщане на отпадъчен въглероден диоксид в полезни химикали

Постигайки пробив, предизвикващ природата, специалисти по синтетична биология от САЩ са създали нов изкуствен метаболизъм, който превръща отпадъчния въглероден диоксид (CO2) в полезни биологични градивни елементи, пише Юрикалърт. 
Авторите на изследването от Северозападния университет и Станфордския университет са успели да създадат ензими, извършващи метаболитни реакции, които не съществуват в природата.
Учените обясняват в публикация в сп. Nature Chemical Engineering., че създадената от тях биологична система може да преобразува формиат - проста течна молекула, лесно произвеждана от въглеродния диоксид, в ацетил-CoA (ацетил-коензим А), универсален метаболит, използван от всички живи клетки. 
Като доказателство за концепцията специалистите са използвали същата система, за да преобразуват ацетил-CoA в малат - химикал с търговска стойност, използван в храни, козметика и биоразградими пластмаси.
За разлика от естествените метаболитни пътища, новата система е изцяло синтетична и функционира извън живите клетки. Инженерите са създали системата, наречена Reductive Formate Pathway (ReForm), от модифицирани ензими, които извършват метаболитни реакции, невиждани досега в природата.
Изследването бележи значителен напредък в синтетичната биология и рециклирането на въглерод, откривайки нови пътища за разработването на устойчиви, въглеродно неутрални горива и материали.
"Непрекъснатото отделяне на въглероден диоксид е изправило човечеството пред редица наложителни социални и икономически предизвикателства", казва съавторът на изследването Ашти Карим от Северозападния университет.
"Ако искаме да се справим с това глобално предизвикателство, се нуждаем от нови начини за производство на стоки с отрицателен въглероден отпечатък. Въпреки че природата е развила няколко пътя за метаболизиране на въглеродния диоксид, тя не е в състояние да се справи с бързото увеличаване на количеството му в атмосферата", допълва ученият.
Вдъхновени от природата, изследователите са се опитали да използват биологични ензими, за да превърнат формиат, получен от въглероден диоксид, в по-ценни материали. Тъй като в природата няма ензими, които да могат да направят това, учените са решили да създадат такива. 
"Системата ReForm може лесно да използва различни източници на въглерод, включително формиат, формалдехид и метанол", казва съавторът на изследването Майкъл Джует от Станфордския университет.
Докато изследователите търсят решения, които да помогнат в борбата с все по-затоплящата се атмосфера, много от тях се опитват да преработват уловения въглероден диоксид в ценни химикали. Тъй като е лесен за производство от електричество и вода, формиатът се очертава като обещаваща отправна точка. След това биологичните системи могат да извършват необходимата работа за превръщането му в полезни материали.
За съжаление обаче живите клетки се затрудняват да използват формиата ефективно. Само някои редки микроорганизми могат да го усвояват по естествен път, а те са трудни за модифициране за производство в голям мащаб.
"Клетките по естествен път използват метаболитни реакции, за да превръщат едно химично вещество в друго. В природата обаче нищо не може да превърне формиата в ацетил-КоА. Съществуват някои ензими, които могат да действат върху формата, но те не могат да го превърнат в нещо полезно. Затова започнахме с теоретичен дизайн на метаболитния път и необходимостта от ензими с функционалности, които не съществуват в природата", обяснява Карим.
Преди да създадат метаболитния път, изследователите са имали нужда от ензими, които да могат да извършват тези неестествени реакции. За бързо получаване и тестване на голям брой ензимни варианти, екипът се е обърнал към безклетъчната синтетична биология. При този подход учените по същество премахват клетъчната стена, събират молекулярния механизъм (ензими, кофактори и малки молекули) и поставят всичко в епруветка.
Изследователите след това те могат да използват този механизъм извън живия организъм, за да произвеждат определен продукт по безопасен, евтин и бърз начин.
"Това е като да отвориш капака на кола и да извадиш двигателя. След това можеш да използваш този двигател за различни цели, без ограниченията на колата", обяснява Джует.
Използването на безклетъчна система е позволило на екипа бързо да прегледа 66 ензима и повече от 3000 ензимни варианта, за да намери тези, които работят най-добре. Процесът се е оказал много по-бърз и по-гъвкав от използването на живи клетки, което би било бавно и трудоемко.
Безклетъчната среда е позволила на учените да тестват хиляди ензими седмично. Чрез този процес те са създали пет различни ензима. В крайна сметка, чрез поредица от реакции, формиатът успешно е бил превърнат в ацетил-КоА.
Подобно на ензимните тестове, цялата система работи извън живите клетки. Това означава, че екипът може да контролира с точност концентрациите на ензимите, кофакторите и условията - нещо, което е почти невъзможно да се постигне в жив организъм.
След като са създали системата, учените са я използвали, за да превърнат ацетил-CoA в малат. 
"Можем да си представим, че използваме инструментите, които сме разработили, за да проектираме всевъзможни нови ензими и пътища. Това ни дава надежда за бъдеще, в което можем да комбинираме множество технологии- както биологични, така и небиологични, по уникални начини, за да намираме нови решения", казват изследователите.