研究人员开发出一种可持续利用二氧化碳的新方法

用于固定二氧化碳的新合成代谢途径不仅有助于减少大气中的二氧化碳含量，而且可以用碳中和的生物过程取代传统的药物和活性成分化学制造过程。一项新的研究展示了一种可以通过甲酸将二氧化碳转化为对生物化学工业有价值的材料的过程。

鉴于温室气体排放量不断增加，碳捕获，即从大排放源封存二氧化碳，是一个紧迫的问题。在自然界中，二氧化碳的同化作用已经发生了数百万年，但其能力远远不足以补偿人为排放。

由马克斯普朗克陆地微生物学研究所的 Tobias Erb 领导的研究人员正在利用大自然的工具箱开发新的二氧化碳固定方法。他们现在已经成功地开发了一种人工代谢途径，可以从甲酸中产生高活性甲醛，甲酸可能是人工光合作用的中间产物。甲醛可以直接进入几种代谢途径，形成其他有价值的物质，而没有任何毒性作用。与自然过程一样，需要两个主要成分：能量和碳。前者不仅可以通过直射阳光提供，还可以通过电力提供 - 例如来自太阳能模块。

甲酸是 C1 结构单元

在增值链中，碳源是可变的。二氧化碳不是这里唯一的选择，所有单碳化合物(C1 组成部分)都会受到质疑：一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇和甲烷。然而，几乎所有这些物质都具有剧毒 - 无论是对生物体(一氧化碳、甲醛、甲醇)还是对地球(甲烷作为温室气体)。只有甲酸被中和成其碱基甲酸盐后，才能被许多微生物以高浓度耐受。

“甲酸是一种非常有前途的碳源，”该研究的第一作者 Maren Nattermann 强调说。“但在试管中将其转化为甲醛非常耗能。” 这是因为甲酸盐甲酸盐不易转化为甲醛。“这两个分子之间存在严重的化学屏障，我们必须在进行实际反应之前用生化能 - ATP 桥接它。”

研究人员的目标是找到一种更经济的方法。毕竟，将碳供给新陈代谢所需的能量越少，驱动生长或生产的能量就越多。但是自然界中不存在这样的路径。Tobias Erb 说：“发现具有多种功能的所谓混杂酶需要一些创造力。” “然而，候选酶的发现仅仅是个开始。我们谈论的是你可以计算的反应，因为它们非常慢——在某些情况下，每种酶每秒反应不到一个。自然反应可以发生一个快一千倍。” 这就是合成生物化学的用武之地，Maren Nattermann 说：“如果你知道酶的结构和机制，你就知道在哪里进行干预。在这里，

高通量技术加速酶优化

酶的优化包括几种方法：专门交换构建块，生成随机突变并选择能力。“甲酸盐和甲醛非常适合，因为它们能穿透细胞壁。我们可以将甲酸盐放入产生酶的细胞培养基中，几小时后将产生的甲醛转化为无毒的黄色染料，”Maren Nattermann 解释说.

如果不使用高通量方法，不可能在如此短的时间内得出结果。为实现这一目标，研究人员与位于德国埃斯林根的工业合作伙伴 Festo 合作。“在大约 4000 个变体之后，我们的产量提高了四倍，”Maren Nattermann 说。“因此，我们为模型微生物大肠杆菌(生物技术的微生物主力)在甲酸上生长奠定了基础。然而，目前，我们的细胞只能产生甲醛，不能进一步转化。”

与马克斯普朗克分子植物生理学研究所的合作伙伴塞巴斯蒂安温克合作，研究人员目前正在开发一种可以吸收中间体并将其引入中央代谢的菌株。与此同时，该团队正在与由沃尔特·莱特纳 (Walter Leitner) 领导的马克斯·普朗克化学能转换研究所的一个工作组就二氧化碳电化学转化为甲酸进行研究。长期目标是一个“一体化平台”——从通过电生化过程产生的二氧化碳到胰岛素或生物柴油等产品。