Прикладні дослідження в галузі синтетичної біології спрямовані на створення або модифікацію організмів для виконання конкретних завдань, наприклад виробництва нових речовин. Нещодавно команда з Інституту Макса Планка в Німеччині розробила метод уловлювання молекул CO2 з повітря та перетворення їх на інші корисні молекули, ефективніший, ніж фотосинтез.
Один із головних винуватців глобального потепління — вуглекислий газ (CO2) – вже досягає загрозливих рівнів у нашій атмосфері. У зв’язку з цим більшість стратегій спрямовано на скорочення викидів парникових газів. Однак деякі експерти вважають, що уловлювання CO2 з повітря — дуже важливе рішення. У цій технології немає нічого незвичайного, вона вже використовується на промислових об’єктах із дуже високим рівнем викидів вуглекислого газу. Вона передбачає використання “порохотягу CO2” для зрідження газу перед тим, як помістити його в порожні підземні резервуари або залити в водоносні солоні пласти.
Але в недавньому дослідженні, подробиці якого опубліковані в журналі Nature, вчені розробили зовсім інший підхід: інноваційний біохімічний цикл, здатний вловлювати CO2 та перетворювати його безпосередньо на іншу молекулу. Порівняно з фотосинтезом рослин цей метод ефективніший.
Інноваційний біохімічний процес
Для цього вчені розробили природний біохімічний метод, названий “цикл THETA””. Цей процес складається з низки хімічних та біологічних кроків, спрямованих на захоплення та перетворення CO2 в інший продукт, званий Ацетил-КоА. Це важлива молекула, що бере участь у кількох метаболічних шляхах і є попередником багатьох видів біопалива, матеріалів та ліків.
У процесі беруть участь 17 біокаталізаторів і два ферменти – Crotonoyl-CoA карбоксилазу/редуктазу та фосфоенолпіруваткарбоксилазу. Останні виділені з бактерій відомі своєю здатністю швидко вловлювати CO2. Вони також набагато ефективніші за фермент RuBisCO, який бере участь у фотосинтезі рослин. Однак ці два елементи не зустрічаються у живих організмах у природному вигляді. Тому вченим довелося поєднати їх штучно, щоби створити цикл.
Цикл інтегрований у живі клітини
Щоб розробити біохімічний цикл THETA, команда дослідників спочатку провела лабораторні випробування у пробірках. Їхня система вловлювала дві молекули CO2 з повітря і перетворювала їх в одну молекулу Ацетил-КоА. Після того, як принцип роботи системи було підтверджено, дослідники провели серію експериментів, спрямованих на оптимізацію її ефективності. Їхньою метою було значно збільшити вихід, тобто кількість Ацетил-КоА, виробленого з певної кількості CO2. В результаті їм удалося помножити цей показник на 100 разів.
Наступним кроком стала інтеграція циклу THETA у живі організми, в цьому випадку у бактерії E. coli. Ці бактерії широко використовуються у синтетичній біології завдяки простоті генетичних маніпуляцій із ними. Враховуючи складність процесу, що складається з 17 окремих стадій, вчені розділили цикл на три окремі модулі, кожен з яких був інтегрований у клітину E. coli.
Хоча кожен модуль добре працює окремо, кінцева мета дослідників — об’єднати ці три частини в єдиний текучий процес, що гармонує з природним метаболізмом E. coli. Для цього необхідно синхронізувати кожен етап циклу з існуючими біологічними процесами бактерії.