Formate có thể được xem là xương sống của nền kinh tế sinh học trung hòa carbon, được sản xuất từ ​​CO2 bằng các phương pháp (điện) hóa học và chuyển đổi thành các sản phẩm có giá trị gia tăng bằng cách sử dụng chuỗi enzyme hoặc vi sinh vật được thiết kế. Một bước quan trọng trong việc mở rộng sự hấp thụ formate tổng hợp là quá trình khử formaldehyde phức tạp về mặt nhiệt động học, điều này được thể hiện ở đây dưới dạng sự thay đổi màu vàng. Nguồn ảnh: Viện Vi sinh vật trên cạn Max Planck/Geisel.
Các nhà khoa học tại Viện Max Planck đã tạo ra một con đường trao đổi chất tổng hợp chuyển hóa carbon dioxide thành formaldehyde với sự trợ giúp của axit formic, mang đến một phương pháp trung hòa carbon để sản xuất các vật liệu có giá trị.
Các con đường chuyển hóa mới để cố định carbon dioxide không chỉ giúp giảm nồng độ carbon dioxide trong khí quyển mà còn có thể thay thế phương pháp sản xuất hóa chất truyền thống đối với dược phẩm và hoạt chất bằng các quy trình sinh học trung hòa carbon. Nghiên cứu mới chứng minh một quy trình trong đó axit formic có thể được sử dụng để chuyển đổi carbon dioxide thành một nguyên liệu có giá trị đối với ngành công nghiệp hóa sinh.
Trước sự gia tăng lượng khí thải nhà kính, việc thu giữ carbon hoặc carbon dioxide từ các nguồn phát thải lớn trở thành một vấn đề cấp bách. Trong tự nhiên, quá trình hấp thụ carbon dioxide đã diễn ra hàng triệu năm, nhưng khả năng này vẫn chưa đủ để bù đắp cho lượng khí thải do con người gây ra.
Các nhà nghiên cứu do Tobias Erb thuộc Viện Vi sinh vật học trên cạn Max Planck dẫn đầu đã sử dụng các công cụ tự nhiên để phát triển các phương pháp mới nhằm cố định carbon dioxide. Họ đã thành công trong việc phát triển một con đường trao đổi chất nhân tạo tạo ra formaldehyde có tính phản ứng cao từ axit formic, một chất trung gian tiềm năng trong quá trình quang hợp nhân tạo. Formaldehyde có thể trực tiếp tham gia vào một số con đường trao đổi chất để tạo thành các chất có giá trị khác mà không gây ra bất kỳ tác dụng độc hại nào. Cũng như một quá trình tự nhiên, cần hai thành phần chính: năng lượng và carbon. Thành phần đầu tiên có thể được cung cấp không chỉ bằng ánh sáng mặt trời trực tiếp mà còn bằng điện – ví dụ, các tấm pin mặt trời.
Trong chuỗi giá trị, nguồn carbon rất đa dạng. Carbon dioxide không phải là lựa chọn duy nhất ở đây, chúng ta đang nói đến tất cả các hợp chất carbon riêng lẻ (các khối cấu tạo C1): carbon monoxide, axit formic, formaldehyde, methanol và methane. Tuy nhiên, hầu hết các chất này đều rất độc hại, cả đối với sinh vật sống (carbon monoxide, formaldehyde, methanol) và đối với hành tinh (methane như một khí nhà kính). Chỉ sau khi axit formic được trung hòa thành formate cơ bản thì nhiều vi sinh vật mới có thể chịu được nồng độ cao của nó.
“Axit formic là một nguồn carbon rất triển vọng,” Maren Nattermann, tác giả chính của nghiên cứu nhấn mạnh. “Nhưng việc chuyển hóa nó thành formaldehyde trong ống nghiệm lại tiêu tốn rất nhiều năng lượng.” Điều này là do formate, muối của formate, không dễ dàng chuyển hóa thành formaldehyde. “Có một rào cản hóa học nghiêm trọng giữa hai phân tử này, và trước khi chúng ta có thể thực hiện một phản ứng thực sự, chúng ta phải vượt qua nó bằng năng lượng sinh hóa – ATP.”
Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là tìm ra một cách thức tiết kiệm hơn. Xét cho cùng, càng ít năng lượng cần thiết để cung cấp carbon cho quá trình trao đổi chất, thì càng nhiều năng lượng có thể được sử dụng để kích thích tăng trưởng hoặc sản xuất. Nhưng trong tự nhiên không có cách nào như vậy. “Việc phát hiện ra các enzyme lai có nhiều chức năng đòi hỏi sự sáng tạo,” Tobias Erb nói. “Tuy nhiên, việc phát hiện ra các enzyme tiềm năng chỉ là bước khởi đầu. Chúng ta đang nói về các phản ứng có thể được đếm cùng nhau vì chúng diễn ra rất chậm – trong một số trường hợp, mỗi enzyme thực hiện ít hơn một phản ứng mỗi giây. Các phản ứng tự nhiên có thể diễn ra với tốc độ nhanh hơn gấp nghìn lần.” Đây là lúc sinh hóa tổng hợp phát huy tác dụng, Maren Nattermann nói: “Nếu bạn biết cấu trúc và cơ chế của một enzyme, bạn sẽ biết cần can thiệp ở đâu. Điều này đã mang lại lợi ích rất lớn.”
Việc tối ưu hóa enzyme bao gồm một số phương pháp: trao đổi các khối cấu tạo chuyên biệt, tạo đột biến ngẫu nhiên và lựa chọn khả năng. “Cả formate và formaldehyde đều rất phù hợp vì chúng có thể xuyên qua thành tế bào. Chúng ta có thể thêm formate vào môi trường nuôi cấy tế bào, tạo ra một loại enzyme chuyển hóa formaldehyde thành thuốc nhuộm màu vàng không độc hại sau vài giờ,” Maren nói. Nattermann giải thích.
Kết quả đạt được trong thời gian ngắn như vậy sẽ không thể có được nếu không sử dụng các phương pháp năng suất cao. Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu đã hợp tác với đối tác công nghiệp Festo ở Esslingen, Đức. “Sau khoảng 4.000 lần thử nghiệm, chúng tôi đã tăng năng suất lên gấp bốn lần,” Maren Nattermann cho biết. “Như vậy, chúng tôi đã tạo ra nền tảng cho sự phát triển của vi sinh vật mẫu E. coli, loài vi sinh vật chủ lực của công nghệ sinh học, trên axit formic. Tuy nhiên, hiện tại, các tế bào của chúng tôi chỉ có thể sản xuất formaldehyde và không thể chuyển hóa thêm.”
Cùng với cộng sự Sebastian Wink từ Viện Sinh lý Phân tử Thực vật, các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck hiện đang phát triển một chủng vi sinh vật có khả năng hấp thụ các chất trung gian và đưa chúng vào quá trình trao đổi chất trung tâm. Đồng thời, nhóm nghiên cứu cũng đang tiến hành nghiên cứu về chuyển đổi điện hóa carbon dioxide thành axit formic với một nhóm làm việc tại Viện Chuyển đổi Năng lượng Hóa học Max Planck dưới sự chỉ đạo của Walter Leitner. Mục tiêu dài hạn là tạo ra một "nền tảng đa năng" từ carbon dioxide được tạo ra bởi các quá trình điện sinh hóa đến các sản phẩm như insulin hoặc biodiesel.
Tài liệu tham khảo: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Phát triển một chuỗi phản ứng mới để chuyển đổi formate phụ thuộc phosphate thành formaldehyde trong ống nghiệm và trong cơ thể sống”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, và Tobias J. Erb, ngày 9 tháng 5 năm 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Nơi cung cấp tin tức công nghệ tốt nhất từ ​​năm 1998. Luôn cập nhật những tin tức công nghệ mới nhất qua email hoặc mạng xã hội. > Bản tóm tắt email với đăng ký miễn phí
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor đã phát hiện ra rằng SRSF1, một loại protein điều chỉnh quá trình cắt nối RNA, được sản sinh nhiều hơn ở tuyến tụy.