Вуглекислий газ (CO2) може стати найважливішим сировиною вуглецю для майбутньої зеленої економіки. Це вимагає розробки ефективних технологій для його перетворення в мультікарбоновие з'єднання, які стануть основою для безлічі біотехнічних продуктів, починаючи від біопалива і закінчуючи ліками.
Незважаючи на величезну різноманітність організмів, здатних виробляти ферменти для перетворення діоксиду вуглецю в органічні сполуки, до сих пір ще нікому не вдавалося використовувати цю можливість для перетворення СО2 в біопаливо або поновлювані джерела для отримання цінних хімічних речовин. Занадто висока концентрація вуглекислого газу в атмосфері - це серйозна проблема, але деякі вчені розглядають її як можливість, пише Geektimes .
«Біологічна фіксація вуглецю вимагає декількох ферментів для перетворення СО2 в біомасу. Хоча цей шлях розвивався в рослинах, водоростях і мікроорганізмах протягом мільярдів років, багато реакції і ферменти можуть допомогти у виробництві необхідних хімічних продуктів, а не біомаси », - повідомляється в науковій роботі, опублікованій в журналі Science .
Команда дослідників з Інституту земного мікробіології Товариства Макса Планка в Марбурзі, Німеччина, розробила для рослин новий високоефективний метод переробки СО2. Він ґрунтується на новому фермент для зв'язування вуглецю, завдяки якому цей процес може гіпотетично йти в 2-3 рази швидше.
Рослини і водорості цілком непогано справляються з тим, щоб зменшити кількість вуглекислого газу в атмосфері. Щорічно вони споживають близько 350 мільярдів тонн СО2 в усьому світі. Майже всі рослини роблять це за допомогою одного і того ж хімічного процесу, ряду хімічних реакцій, званих циклом Кальвіна .
Читайте також: Фотосинтез штучного листа виявився ефективніше природного
Цикл Кальвіна є набором молекулярних перетворень, в процесі яких три простих атома молекули СО2 повільно перетворюються в глюкозу, складний цукор. Цей спосіб досить добре налагоджений еволюцією, але вчені знайшли спосіб його поліпшити.
Успішне завершення циклу Кальвіна залежить від конкретного молекулярного інструменту - рибулозобісфосфаткарбоксилаза (RuBisCO) - ферменту, який захоплює СО2 з атмосфери і формує велику молекулу, щоб почати перетворення. Проблема в тому, що RuBisCO робить це відносно повільно. Крім того, кожна п'ята спроба RuBisCO зафіксувати CO2 призводить втрат вуглецю з циклу Кальвіна і знижує ефективність фотосинтезу.
Біохіміки на чолі з Тобіасом Ербом розробили в пробірці цикл поглинання вуглецю, багато в чому схожий з циклом Кальвіна. Головна відмінність нового методу полягає в тому, що в ньому використовуються більш швидкий і ефективний молекулярний інструмент - фермент ECR, який виконує ту ж роботу, що і RuBisCO, тільки, приблизно, в 9 разів швидше. Ерб назвав цей процес циклом CETCH. Крім ферменту ECR, вчені шляхом секвенування і синтезу вивели ще 16 каталізаторів з 9 різних організмів для CETCH циклу.
Цикл CETCH перетворює стерпний по повітрю СО2 в гліоксілат за 11 кроків. На кожному етапі потрібно фермент, що трансформує молекули. Кожен з таких ферментів був ретельно відібраний з 40 тисяч відомих каталізаторів. Деякі з них виявилися в організмі людини і кишкових бактерій, інші взяли з рослин і мікробів, що живуть в Світовому океані.
Ерб і його колеги перевірили CETCH цикл в своїй лабораторії. Вони з'єднали все здобуті каталізатори з деякою кількістю хімічного палива і підрахували, скільки вуглекислого газу було вилучено з повітря. Вони виявили, що їх цикл на 25% ефективніше, ніж цикл Кальвіна в рослинах і водоростях. CETCH перетворює діоксид вуглецю в органічні молекули зі швидкістю 5 нмоль СО2 в хвилину на міліграм білка.
Читайте також: Новий сонячний елемент перетворює CO2 паливо
Підбадьорений успішним відновленням синтетичної ферментативної мережі в пробірці, яка, до того ж, може конкурувати з природними циклами, Ерб відкриває відразу кілька дверей для використання технології CETCH. Якщо ввести синтетичні ферменти в живий організм, цикл CETCH підтримає природний фотосинтез. Зрештою, він же може послужити поштовхом розробки самодостатнього, повністю синтетичного вуглецевого обміну речовин в бактеріальних і водоростевих системах.
Ерб зазначає, що на цьому етапі дуже важко спрогнозувати, наскільки швидким буде синтезований CETCH в порівнянні з циклом Кальвіна, який працює в живих організмах. Але оскільки він проходить меншу кількість етапів і його ферменти швидше, вчені очікують прискорення в два або три рази. В кінцевому підсумку він може виявитися трохи повільніше, ніж цикл Кальвіна. Вчені просто не знають цього напевно, поки що.
Хоча гліоксілат, який виходить в ході циклу CETCH багато в чому марний сам по собі, його можна легко перетворити в іншу хімічну речовину, придатну для виробництва біопалива або антибіотиків.
Вчені сподіваються, що одного разу цикл CETCH можна буде впровадити в живий організм за допомогою методів генної інженерії. Однак це дуже непросте завдання, для вирішення якої необхідно провести безліч досліджень. Зараз команда Ерба не має ні найменшого уявлення про те, що станеться, якщо їх цикл розмістити всередині системи живої клітини.
«Спробуйте уявити, ніби вченим вдалося створити щось на зразок штучного листя або будь-яку іншу гібридну систему, в якій фотоелектричні сонячні батареї можуть забезпечити енергією водорості і бактерії, що живуть під ними. Тоді, використовуючи цикл CETCH, вони зможуть поглинати вуглекислий газ і виробляти корисні хімічні речовини »- каже Тобіас Ерб.
Зараз в основі всієї хімічної промисловості лежить використання викопного палива. Пластмаси і текстиль, техніка і антибіотики - все це проводиться з величезною кількістю викидів вуглекислого газу. Замість того, щоб обтяжувати планету новими викидами, хімічне виробництво могло б активно боротися зі зміною клімату, створюючи корисні продукти з CO2.
Читайте також: Зелена стіна з моху здатна генерувати енергію (відео)
Сподобалася стаття? Поділіться нею і буде вам щастя!
Loading ...