Ученые разработали путь "бициклической фиксации углерода" для ускорения газового брожения у специализированных бактерий.
Пекари ферментируют тесто для получения хорошо хрустящей буханки хлеба. Точно так же пивовары ферментируют пшеницу и ячмень для получения мягкого солодового пива. Некоторые микроорганизмы, являясь лучшими в природе пекарями и пивоварами, могут делать даже больше. На самом деле, некоторые виды бактерий ферментируют углекислый газ (CO2) для получения собственных питательных веществ. Это может быть использовано для получения энергии в нашем мире.
Эта необычная способность - ферментация CO2 в химическую энергию - не осталась незамеченной учеными, которые изучают тонкие и сложные химические реакции в бактериях. Среди них - исследователь Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США Вэй Ксионг, который говорит, что бактерии, ферментирующие газ, дают уроки превращения отработанных газов, таких как CO2, в топливо.
"Удаление и преобразование CO2 представляет интерес для всего мира, поскольку CO2 является самым важным теплоулавливающим (парниковым) газом в атмосфере. Пути фиксации CO2 являются ключевыми", - объясняет Ксионг. "Мы особенно заинтересованы в разработке новых путей фиксации CO2 у бактерий, чтобы помочь им синтезировать ключевых предшественников биотоплива, например, ацетил-КоА".
Ацетил-КоА является основным ингредиентом для производства множества топливных химикатов, включая жирные кислоты, изопропанол и бутанол. Как подробно описано в статье, недавно опубликованной в журнале Nature Synthesis, Ксионг и его коллеги показали, как улучшить производство этого топливного предшественника, используя новый механизм газообразующих бактерий. Тем самым они открывают возможность использования биологических методов для улавливания и преобразования CO2 в промышленных масштабах.
Естественно, газовая ферментация в бактериях протекает по линейному ряду реакций, известному ученым как путь Вуда-Люнгдала. Он был назван в честь профессоров Харланда Г. Вуда и Ларса Г. Люнгдала, которые открыли его в 1980-х годах. Проще говоря, ферменты лишают CO2 углерода, используя электрическую энергию водорода или угарного газа, находящихся поблизости. Затем они присоединяют два одноуглеродных атома (С1) к более крупной молекуле, уже присутствующей в бактериях, называемой коэнзимом А (КоА). Присоединение двух углеродных ручек (C2) к этой вспомогательной молекуле делает их более доступными для других реакций.
Конечный результат? Ацетил-КоА, более энергетически и углеродно насыщенная молекула, которая поддерживает рост бактерий. Она также является удобным исходным веществом для производства ценного, безопасного для климата биотоплива. Однако, несмотря на всю свою разумность, одного пути Вуда-Люнгдала может быть недостаточно для промышленного использования. К тому же, кажущаяся простой математика (C1 + C1 = C2) на самом деле является следствием головокружительного количества химических реакций. "Инженерия этого пути для повышения эффективности является сложной задачей из-за сложности ферментов", - объясняет Ксионг.
Чтобы избежать прямого улучшения пути Вуда-Люнгдаля, исследователи разработали концепцию совершенно нового пути получения ацетил-КоА. Используя разработанную компьютерную модель под названием PathParser и современные генетические инструменты, команда придумала новый путь фиксации CO2 в одном из видов газоферментирующих бактерий Clostridium ljungdahlii.
В конечном итоге математика работает одинаково: C1 + C1 = C2. Но чтобы достичь этого, в нем задействована пара параллельных реакций - углерод-фиксирующий велосипед с двумя колесами, работающими вместе для захвата CO2, его преобразования с помощью ряда химических реакций и перенаправления для ускорения выработки ацетил-КоА (иллюстрация на рисунке ниже). Если этот механизм ввести в газоферментирующие бактерии, он может дополнить путь Вуда-Люнгдаля для более эффективного получения ацетил-КоА.
Сегодня нет недостатка в отработанных газах, и это, вероятно, останется актуальным и в будущем. Миллионы тонн CO2 ежегодно выделяются тяжелой промышленностью - побочный продукт производства стали или смешивания бетона. Ученые изучают технологии улавливания и хранения - а еще лучше использования - CO2 задолго до того, как он попадет в атмосферу.
"В контексте глобального потепления и изменения климата ученые ищут новые решения на основе микробного метаболизма для преобразования CO2 в топливо и химические вещества", - говорит Ксионг. "Газоферментирующие бактерии действительно фиксируют CO2 и представляют собой экологически чистый способ удовлетворения наших энергетических и экологических потребностей". А у кого лучше учиться, как не у газоферментирующих бактерий, которые легко фиксируют CO2 на протяжении миллионов лет?
