U furmatu pò esse vistu cum'è a spina dorsale di una bioecunumia neutra in carbone, pruduttu da u CO2 aduprendu metudi (elettro)chimichi è cunvertitu in prudutti à valore aghjuntu aduprendu cascate enzimatiche o microrganismi ingegnerizzati. Un passu impurtante in l'espansione di l'assimilazione di u furmatu sinteticu hè a so riduzione termodinamicamente cumplessa di a formaldeide, chì quì appare cum'è un cambiamentu di culore giallu. Creditu: Istitutu di Microbiologia Terrestre Max Planck/Geisel.
I scientifichi di l'Istitutu Max Planck anu creatu una via metabolica sintetica chì cunverte u diossidu di carbonu in formaldeide cù l'aiutu di l'acidu formicu, offrendu un modu neutru in carbonu per pruduce materiali preziosi.
E nove vie anaboliche per a fissazione di u diossidu di carbonu ùn solu aiutanu à riduce i livelli di diossidu di carbonu in l'atmosfera, ma ponu ancu rimpiazzà a pruduzzione chimica tradiziunale di farmaci è ingredienti attivi cù prucessi biologichi neutri in carbonu. Una nova ricerca dimostra un prucessu per mezu di u quale l'acidu formicu pò esse adupratu per cunvertisce u diossidu di carbonu in un materiale preziosu per l'industria biochimica.
Datu l'aumentu di l'emissioni di gas serra, u sequestramentu di u carbone o u sequestramentu di u diossidu di carbone da e grande fonti d'emissioni hè una questione urgente. In natura, l'assimilazione di u diossidu di carbone hè in corsu dapoi milioni d'anni, ma u so putere hè luntanu da esse sufficiente per cumpensà l'emissioni antropogeniche.
I circadori guidati da Tobias Erb di l'Istitutu di Microbiologia Terrestre. Max Planck utilizanu strumenti naturali per sviluppà novi metudi per fissà u diossidu di carbonu. Avà sò riesciuti à sviluppà una via metabolica artificiale chì produce formaldeide altamente reattiva da l'acidu formicu, un pussibule intermediu in a fotosintesi artificiale. A formaldeide pò entre direttamente in parechje vie metaboliche per furmà altre sustanze preziose senza alcun effettu tossicu. Cum'è cù un prucessu naturale, sò richiesti dui ingredienti principali: energia è carbonu. U primu pò esse furnitu micca solu da a luce diretta di u sole, ma ancu da l'elettricità - per esempiu, i moduli solari.
In a catena di valore, e fonti di carbone sò variabili. U diossidu di carbone ùn hè micca l'unica opzione quì, parlemu di tutti i cumposti di carbone individuali (blocchi di custruzzione C1): monossidu di carbone, acidu formicu, formaldeide, metanolu è metanu. Tuttavia, quasi tutte queste sustanze sò assai tossiche, sia per l'organismi viventi (monossidu di carbone, formaldeide, metanolu) sia per u pianeta (u metanu cum'è gasu à effettu serra). Hè solu dopu chì l'acidu formicu hè statu neutralizatu à u so formiatu basicu chì parechji microorganismi ne tolleranu alte concentrazioni.
«L'acidu formicu hè una fonte di carbone assai promettente», mette in risaltu Maren Nattermann, prima autrice di u studiu. «Ma cunvertisce lu in formaldeide in vitro hè assai intensivu in termini di energia». Questu hè perchè u formiatu, u sale di u formiatu, ùn hè micca facilmente cunvertitu in formaldeide. «Ci hè una seria barriera chimica trà ste duie molecule, è prima di pudè realizà una vera reazione, duvemu superalla cù l'aiutu di l'energia biochimica - l'ATP».
L'obiettivu di i circadori era di truvà un modu più ecunomicu. Dopu tuttu, menu energia hè necessaria per alimentà u carbone in u metabolismu, più energia pò esse aduprata per stimulà a crescita o a pruduzzione. Ma ùn ci hè micca un modu cusì in natura. "A scuperta di i cosiddetti enzimi ibridi cù funzioni multiple hà necessitatu una certa creatività", dice Tobias Erb. "Tuttavia, a scuperta di enzimi candidati hè solu l'iniziu. Parlemu di reazioni chì ponu esse cuntate inseme perchè sò assai lente - in certi casi, ci hè menu di una reazione per seconda per enzima. E reazioni naturali ponu procedere à un ritmu mille volte più veloce". Eccu induve entra in ghjocu a biochimica sintetica, dice Maren Nattermann: "Sè cunniscite a struttura è u mecanismu di un enzima, sapete induve intervene. Hè statu di grande benefiziu".
L'ottimisazione di l'enzimi implica parechji approcci: scambiu specializatu di blocchi di custruzzione, generazione di mutazioni aleatorie è selezzione di capacità. "Sia u formiatu sia a formaldeide sò assai adatti perchè ponu penetrà i muri cellulari. Pudemu aghjunghje u formiatu à u mezu di cultura cellulare, chì produce un enzima chì trasforma a formaldeide risultante in un colorante giallu non tossicu dopu à qualchì ora", hà dettu Maren. Nattermann hà spiegatu.
I risultati in un periodu di tempu cusì cortu ùn sarianu micca stati pussibuli senza l'usu di metudi à altu rendimentu. Per fà questu, i circadori anu collaboratu cù u partenariu industriale Festo in Esslingen, Germania. "Dopu à circa 4.000 variazioni, avemu quadruplicatu u nostru rendimentu", dice Maren Nattermann. "Cusì, avemu creatu a basa per a crescita di u microorganismu mudellu E. coli, u cavallu di battaglia microbicu di a biotecnologia, nantu à l'acidu formicu. Tuttavia, à u mumentu, e nostre cellule ponu solu pruduce formaldeide è ùn ponu micca trasfurmà si ulteriormente".
In cullaburazione cù u so collaboratore Sebastian Wink di l'Istitutu di Fisiologia Moleculare Vegetale, i circadori di Max Planck stanu attualmente sviluppendu una varietà chì pò piglià intermedi è introdurli in u metabolismu cintrali. À u listessu tempu, a squadra conduce ricerche nantu à a cunversione elettrochimica di u diossidu di carbonu in acidu formicu cù un gruppu di travagliu à l'Istitutu di Cunversione di l'Energia Chimica. Max Planck sottu a direzzione di Walter Leitner. L'obiettivu à longu andà hè una "piattaforma unica per tutti" da u diossidu di carbonu pruduttu da prucessi elettrobiochimichi à prudutti cum'è l'insulina o u biodiesel.
Riferimentu: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu "Sviluppu di una nova cascata per a cunversione di furmatu dipendente da u fosfatu in formaldeide in vitro è in vivo", Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, è Tobias J. Erb, 9 di maghju 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
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I ricercatori di Cold Spring Harbor Laboratories anu scupertu chì SRSF1, una proteina chì regula u splicing di l'ARN, hè sovraregulata in u pancreas.