Дослідники відкрили новий шлях у бактеріях, який має потенціал для декарбонізації різних галузей промисловості. Цей прорив може значно зменшити викиди парникових газів, що утворюються під час виробництва палива, ліків і хімікатів. Спільні дослідницькі зусилля Національної лабораторії Лоуренса Берклі та Каліфорнійського університету в Берклі привели до створення бактерій, які можуть створювати унікальні продукти на основі вуглецю. Цей прорив може відкрити багатообіцяючий шлях до виробництва стійких біохімічних речовин.
Відкриття, нещодавно опубліковане в журналі Nature, використовує бактерії для інтеграції природних ферментативних реакцій з новою реакцією, відомою як «реакція перенесення карбену». Це дослідження має потенціал для зменшення промислових викидів, надаючи стійкі альтернативи звичайним методам хімічного виробництва, які зазвичай покладаються на викопне паливо.
«У цій статті ми показали, що в цій реакції ми можемо синтезувати все — від природних ферментів до карбенів — усередині бактеріальної клітини. Усе, що вам потрібно додати, — це цукор, а клітини зроблять все інше», — сказав Джей Кіслінг, головний дослідник дослідження та генеральний директор Об’єднаного інституту біоенергетики Департаменту енергетики (JBEI).
Карбени — це високоактивні хімічні речовини на основі вуглецю, які можна використовувати в різних типах реакцій. Десятиліттями вчені хотіли використовувати карбенові реакції у виробництві палива та хімікатів, а також у відкритті та синтезі ліків. Але ці карбенові процеси можна було проводити лише невеликими партіями за допомогою пробірок і вимагали дорогих хімічних речовин, щоб керувати реакцією.
У новому дослідженні дослідники замінили дорогі хімічні реактиви натуральними продуктами, які можуть вироблятися за допомогою сконструйованого штаму бактерій Streptomyces. Оскільки бактерії використовують цукор для виробництва хімічних продуктів за допомогою клітинного метаболізму, «ця робота дозволяє нам виконувати хімію карбенів без токсичних розчинників або токсичних газів, які зазвичай використовуються в хімічному синтезі», — сказав перший автор Цзін Хуанг, дослідник лабораторії Берклі в Кіслінгу. Лабораторія. «Цей біологічний процес набагато безпечніший для навколишнього середовища, ніж сучасний спосіб синтезу хімікатів», — сказав Хуан.
Під час експериментів у JBEI дослідники спостерігали за сконструйованою бактерією, коли вона метаболізувала та перетворювала цукор у попередник карбену та алкеновий субстрат. Бактерія також експресувала розвинений фермент P450, який використовував ці хімічні речовини для виробництва циклопропанів, високоенергетичних молекул, які потенційно можуть бути використані для сталого виробництва нових біологічно активних сполук і вдосконаленого біопалива. «Тепер ми можемо проводити ці цікаві реакції всередині бактеріальної клітини. Клітини виробляють усі реагенти та кофактори, що означає, що ви можете масштабувати цю реакцію до дуже великих масштабів» для масового виробництва, сказав Кізлінг.
Залучення бактерій для синтезу хімікатів також може зіграти важливу роль у зниженні викидів вуглецю, сказав Хуан. За даними інших дослідників лабораторії Берклі, близько 50% викидів парникових газів припадає на виробництво хімікатів, чавуну та сталі та цементу. Обмеження глобального потепління до 1,5 градусів за Цельсієм у порівнянні з доіндустріальним рівнем вимагатиме значного скорочення викидів парникових газів вдвічі до 2030 року, йдеться в останньому звіті Міжурядової групи експертів зі зміни клімату.
Хуан сказав, що хоча цю повністю інтегровану систему можна передбачити для великої кількості молекул донорів карбену та алкенових субстратів, вона ще не готова до комерціалізації.
«Для кожного нового просування хтось має зробити перший крок. А в науці можуть пройти роки, перш ніж ви досягнете успіху. Але ви повинні продовжувати намагатися – ми не можемо дозволити собі здаватися. Я сподіваюся, що наша робота надихне інших на продовження пошуку екологічніших, стійких рішень для біовиробництва», — сказав Хуан.
