Kunstliku fotosünteesiga kliimamuutuste vastu

Pathway seob süsinikdioksiidi 20 protsenti tõhusamalt kui taimemaailm

Uus kunstlik reaktsioonitsükkel seob süsinikdioksiidi 20 protsenti tõhusamalt kui taimede fotosüntees © MPI Terrestrial Microbiology / Ühine Geenivaramu
ettelugemist

Uute CO2 tarbijate poole: teadlased on välja töötanud reaktsioonitsükli, mis absorbeerib süsinikdioksiidi ja muundab selle orgaanilisteks ühenditeks. See toimib nagu taimede fotosüntees, kuid on 20 protsenti tõhusam. Selle esiletõst: kuigi see reaktsioonitee loodi joonestustahvlil, kasutab see ensüüme ja loodusprotsesse. Seetõttu võiks seda lisada vetikatesse või bakteritesse ja muuta need tugevatoimelisteks CO2 neelajateks, nagu teatavad teadlased ajakirjas "Science".

Kuhu minna koos süsinikdioksiidiga? Seistes silmitsi klassikalise kliimakaitse üsna katselise arenguga ja süsinikdioksiidi taseme pideva tõusuga, otsivad teadlased kogu maailmas võimalusi, kuidas süsinikdioksiidi konkreetselt heitgaasidest või õhust eemaldada. Esimesed lähenemisviisid on sadestumine ja maa-alune ladustamine (CCS), aga ka kivistumine basaltkivimisse sidudes. CO2 õhust välja filtreerimiseks pole aga praktiliselt kasutatavaid meetodeid.

Calvini tsükkel kui mudel

Nüüd võisid aga lahenduse leida Tobias Erb Marburgi Max Plancki Maapealse Mikrobioloogia Instituudist ja tema kolleegid. Sünteetilisi bioloogiameetodeid kasutades on nad välja töötanud biokeemilise reaktsioonitsükli, mis seob sarnaselt taimedega CO2 ja muundab selle orgaanilisteks molekulideks, tehes seda kiiremini ja paremini kui tavalised taimed.

Lähtepunktiks oli taimede kolgaaritsükkel - keemiliste reaktsioonide ahel, mis muundab CO2 fotosünteesis CO2 suhkruks. Selles tsüklis käivitatakse ja katalüüsitakse iga reaktsioonietapp spetsiaalse ensüümi abil. Nagu käigukasti käigud, on need ideaalselt sobivad.

Alt-üles lähenemisviisi

Kuid iroonilisel kombel on ülioluline, CO2-siduv ensüüm RuBisCo üsna aeglane ja kasutab sageli ekslikult CO2 asemel O2. "Looduses on täiesti erineva kvaliteediga süsinikku fikseerivad ensüümid, " ütleb Erb. Üks neist, näiteks krotonüül-CoA-karboksülaas / reduktaas, toimib näiteks mõnedes mikroorganismides - kuid see ei vasta keemiliselt ülejäänud kolgataaltsüklile. kuva

Koosneb samm-sammult 17 ensüümist - tahvlile loodi CETCH tsükkel mediomix / MPI maapealse mikrobioloogia jaoks

Selle asemel, et proovida seda ensüümi Calvini tsüklisse kuidagi sisestada, valisid Erb ja tema kolleegid "alt üles" lähenemise: nad töötasid välja täiesti uue kunstliku tsükli, mis, kuigi See toimib nagu taime metabolismirada, kuid koos teiste, tõhusamate komponentidega. "See tähendas, et me ei pidanud piirduma oma katsetega tuntud ensüümidega, vaid võisime arvestada kõigi potentsiaalselt sobivate biokeemiliste reaktsioonidega, " selgitab Erb.

Ensüümi jaoks ensüüm

Esiteks kavandasid teadlased selle tsükli teoreetilise käigu ja tegid seega kindlaks, milliseid erinevaid reaktsiooni etappe on vaja ja milliseid katalüsaatoreid selleks vaja on. Seejärel otsisid teadlased molekulaarsetes andmebaasides keemilisi ühendeid, mis oleksid nende tsükli jaoks sobivad ensüümid. Pärast umbes 40 000 ensüümi sõelumist jäi järele kümmekond kandidaati.

Kaks aastat töötasid teadlased ensüümide testimisel ja optimeerimisel, kuni nad lõpuks leidsid õiged zusammenid ja panid need kokku, et moodustada tugev, optimeeritud tsükkel. See koosneb 17 erinevast ensüümist üheksast erinevast organismist. Teadlased on nimetanud seda kunstlikku süsinikku siduvat rada CETCH - krotonüül-CoA / etüülmalonüül-CoA / hüdroksübutürüül-CoA lühikeseks.

Nii arendasid teadlased välja oma kunstliku fotosünteesi - DOE Ühine Geenivaramu

20 protsenti tõhusam

"CETCH tsükkel on seega seitsmes, kunstlik alternatiiv kuuele looduslikult arenenud CO2 fikseerimise rajale, " ütlevad teadlased. Kogu klou: CETCH tsükkel sisaldab CO2 siduvat ensüümi, mis seob kasvuhoonegaase 20 korda kiiremini kui taimede RuBisCo ja see pole peaaegu kunagi vale.

See muudab CETCH tsükli 20 protsenti efektiivsemaks kui taimede fotosünteetiline CO2 sidumine, väidavad teadlased. See on peaaegu köögiviljade kolgatsükli turboversioon.

Kasutamine vetikates või bakterites

Kui see metaboolne rada liidetakse vetika või bakteriga, saaks absorbeerida õhust palju rohkem süsinikdioksiidi kui tavalistes taimedes. CETCH tsükli võiks ühendada ka päikesepatareidega ja kasutada nende tarnitud elektrone CO2 muundamiseks.

Veel üks eelis: millist lõpptoodet toodetakse CETCH tsükli jooksul, saab kohandada. Siiani on lõpptooteks glüoksaalhape, kuid see võib olla ka biodiisel, antibiootikumid või paljud muud ained. "Meie teaduse eesmärk on leiutada elutu CO2 muundamine orgaaniliseks aineks, " ütleb Erb. "Meie unistus on kasutada kohandatud ensüüme, et luua sünteetiline ainevahetus 2.0, mis võib toota mis tahes CO2 kombinatsiooni." (Science, 2016; doi: 10.1126 / science aah5237)

(Max Plancki Selts / Ühine Geenivaramu Instituut, 18.11.2016 - MTÜ)