Прорыв в синтетической биологии позволяет извлекать CO2 из воздуха эффективнее, чем в природе

Прикладные исследования в области синтетической биологии направлены на создание или модификацию организмов для выполнения конкретных задач, например, производства новых веществ. Недавно команда из Института Макса Планка в Германии разработала метод улавливания молекул CO2 из воздуха и превращения их в другие полезные молекулы, более эффективный, чем фотосинтез.

Один из главных виновников глобального потепления — углекислый газ (CO2) — уже достигает угрожающих уровней в нашей атмосфере. В связи с этим большинство стратегий направлено на сокращение выбросов парниковых газов. Однако некоторые эксперты считают, что улавливание CO2 из воздуха — весьма интересное решение. В этой технологии нет ничего необычного, она уже используется на промышленных объектах с очень высоким уровнем выбросов углекислого газа. Она предполагает использование «пылесоса CO2» для сжижения газа перед тем, как поместить его в пустые подземные резервуары или залить в соленые водоносные пласты.

Но в недавнем исследовании, подробности которого опубликованы в журнале Nature, ученые разработали совершенно иной подход: инновационный биохимический цикл, способный улавливать CO2 и преобразовывать его непосредственно в другую молекулу. По сравнению с фотосинтезом растений этот метод более эффективен.

Инновационный биохимический процесс

Для этого ученые разработали естественный биохимический метод, названный «»цикл THETA»». Этот процесс состоит из ряда химических и биологических шагов, направленных на захват и преобразование CO2 в другой продукт, называемый Ацетил-КоА. Это важная молекула, участвующая в нескольких метаболических путях и являющаяся предшественником многих видов биотоплива, материалов и лекарств.

В процессе участвуют 17 биокатализаторов и два фермента — Crotonoyl-CoA карбоксилаза/редуктаза и фосфоенолпируваткарбоксилаза. Последние, выделенные из бактерий, известны своей способностью быстро улавливать CO2. Они также намного эффективнее фермента RuBisCO, который участвует в фотосинтезе растений. Однако эти два элемента не встречаются в живых организмах в естественном виде. Поэтому ученым пришлось соединить их искусственно, чтобы создать цикл.

Цикл, интегрированный в живые клетки

Чтобы разработать биохимический цикл THETA, команда исследователей сначала провела лабораторные испытания в пробирках. Их система улавливала две молекулы CO2 из воздуха и преобразовывала их в одну молекулу Ацетил-КоА. После того как принцип работы системы был подтвержден, исследователи провели серию экспериментов, направленных на оптимизацию ее эффективности. Их целью было значительно увеличить выход, то есть количество Ацетил-КоА, произведенного из определенного количества CO2. В результате им удалось умножить этот показатель на 100 раз.

Следующим шагом стала интеграция цикла THETA в живые организмы, в данном случае в бактерии E. coli. Эти бактерии широко используются в синтетической биологии благодаря простоте генетических манипуляций с ними. Учитывая сложность процесса, состоящего из 17 отдельных стадий, ученые разделили цикл на три отдельных модуля, каждый из которых был интегрирован в клетку E. coli.

Хотя каждый модуль хорошо работает по отдельности, конечная цель исследователей — объединить эти три части в единый текучий процесс, гармонирующий с естественным метаболизмом E. coli. Для этого необходимо синхронизировать каждый этап цикла с существующими биологическими процессами бактерии.