Zespół badawczy kierowany przez Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i UC Berkeley opracował bakterie do produkcji nowych w naturze produktów węglowych, które mogą zapewnić potężną drogę do zrównoważonych biochemikaliów.
Postęp – który został niedawno ogłoszony w czasopiśmie Nature – wykorzystuje bakterie do łączenia naturalnych reakcji enzymatycznych z nową w naturze reakcją zwaną “reakcją przeniesienia karbenu”. Ta praca może również pewnego dnia pomóc w ograniczeniu emisji przemysłowych, ponieważ oferuje zrównoważone alternatywy dla chemicznych procesów produkcyjnych, które zwykle opierają się na paliwach kopalnych.
„W tym artykule pokazaliśmy, że w tej reakcji możemy zsyntetyzować wszystko – od naturalnych enzymów po karbeny – wewnątrz komórki bakteryjnej. Wszystko, co musisz dodać, to cukier, a komórki zrobią resztę” – powiedział Jay Keasling, główny badacz badania i dyrektor generalny Joint BioEnergy Institute (JBEI) Departamentu Energii.
Karbeny to wysoce reaktywne chemikalia na bazie węgla, które można stosować w wielu różnych typach reakcji. Od dziesięcioleci naukowcy chcieli wykorzystać reakcje karbenowe w produkcji paliw i chemikaliów oraz w odkrywaniu i syntezie leków.
Ale te procesy karbenowe można było przeprowadzać tylko w małych partiach za pomocą probówek i wymagały drogich substancji chemicznych do napędzania reakcji.
W nowym badaniu naukowcy zastąpili drogie reagenty chemiczne naturalnymi produktami, które mogą być wytwarzane przez zmodyfikowany szczep bakterii Streptomyces. Ponieważ bakterie wykorzystują cukier do wytwarzania produktów chemicznych poprzez metabolizm komórkowy, „ta praca umożliwia nam wykonywanie chemii karbenu bez toksycznych rozpuszczalników lub toksycznych gazów zwykle stosowanych w syntezie chemicznej” – powiedział pierwszy autor Jing Huang, doktor habilitowany z Berkeley Lab w Keasling Laboratorium. „Ten proces biologiczny jest znacznie bardziej przyjazny dla środowiska niż sposób, w jaki obecnie syntetyzowane są chemikalia” – powiedział Huang.
Podczas eksperymentów w JBEI naukowcy obserwowali zmodyfikowaną bakterię, która metabolizowała i przekształcała cukry w prekursor karbenu i substrat alkenowy. Bakteria wyrażała również wyewoluowany enzym P450, który wykorzystywał te chemikalia do produkcji cyklopropanów, cząsteczek o wysokiej energii, które mogłyby potencjalnie zostać wykorzystane w zrównoważonej produkcji nowych związków bioaktywnych i zaawansowanych biopaliw. „Możemy teraz przeprowadzać te interesujące reakcje wewnątrz komórki bakteryjnej. Komórki wytwarzają wszystkie odczynniki i kofaktory, co oznacza, że można skalować tę reakcję na bardzo dużą skalę” do masowej produkcji, powiedział Keasling.
Rekrutacja bakterii do syntezy chemikaliów może również odgrywać integralną rolę w ograniczaniu emisji dwutlenku węgla, powiedział Huang. Według innych naukowców z Berkeley Lab blisko 50% emisji gazów cieplarnianych pochodzi z produkcji chemikaliów, żelaza i stali oraz cementu. Ograniczenie globalnego ocieplenia do 1,5 stopnia Celsjusza powyżej poziomu sprzed epoki przemysłowej będzie wymagało znacznego ograniczenia emisji gazów cieplarnianych o połowę do 2030 r.
Huang powiedział, że chociaż ten w pełni zintegrowany system można sobie wyobrazić dla dużej liczby cząsteczek dawców karbenu i substratów alkenowych, nie jest on jeszcze gotowy do komercjalizacji.
„Za każdym nowym postępem ktoś musi zrobić pierwszy krok. A w nauce odniesienie sukcesu może zająć lata. Ale trzeba próbować – nie możemy sobie pozwolić na rezygnację. Mam nadzieję, że nasza praca zainspiruje innych kontynuować poszukiwania bardziej ekologicznych, zrównoważonych rozwiązań w zakresie bioprodukcji” – powiedział Huang.
Prace te były wspierane przez DOE Office of Science i DOE Office of Biological and Environmental Research. Dodatkowe wsparcie zapewniła Narodowa Fundacja Nauki.