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MONDI DI CARBONIO

Engineering un sistema più efficiente per sfruttare l'anidride carbonica
da Staff Writers
Washington DC (SPX) Nov 21, 2016



file immagine.

Nonostante la grande diversità degli organismi del pianeta che esprimono gli enzimi per la conversione di anidride carbonica in tali composti organici come gli zuccheri - come fanno le piante attraverso la fotosintesi - gli sforzi per sfruttare queste funzionalità per trasformare CO2 in prodotti ad alto valore aggiunto, quali biocarburanti e rinnovabili prodotti chimici hanno avuto un successo limitato. Mentre l'aumento della concentrazione di CO2 nell'atmosfera rappresenta una sfida, i ricercatori hanno anche la vedono come un'opportunità.

Ora un team del Max-Planck-Institute (MPI) per terrestre Microbiologia a Marburg, Germania, toccando le competenze sintesi del DNA del US Department of Energy Joint Genome Institute (JGI DOE) ha reverse engineering di una via biosintetica per il carbonio più efficace fissazione. Questo nuovo meccanismo si basa su un nuovo enzima-CO2 fissa che è quasi 20 volte più veloce l'enzima più diffuso in natura responsabile per catturare CO2 nelle piante utilizzando la luce solare come energia.

"Avevamo visto come gli sforzi per assemblare direttamente i percorsi sintetici per CO2 fissazione in un organismo vivente non è riuscito finora", ha detto Tobias Erb di MPI, che ha condotto lo studio. "Così abbiamo preso un approccio radicalmente diverso, riduzionista assemblando componenti principali di sintesi in modo bottom-up in una provetta."

La squadra ha iniziato con diversi percorsi teorici di CO2 di fissaggio che potrebbero portare a ciclo del carbonio continuo. Ma non si fermano qui. "Noi non limitiamo i nostri sforzi di progettazione di enzimi noti, ma considerato tutte le reazioni che sembravano biochimicamente fattibile", ha detto Erb.

A differenza di sequenziamento del DNA, dove il linguaggio della vita viene letto dal genoma di un organismo, sintesi del DNA prevede prima l'identificazione di un particolare elemento genetico - come un enzima per il fissaggio carbonio dall'atmosfera - e la scrittura ed esprimendo quel codice in un nuovo sistema.

Alla fine, essi provengono, attraverso il sequenziamento e sintesi, 17 diversi enzimi da 9 diversi organismi attraverso i tre regni della vita e orchestrato da queste parti per ottenere una prova di principio prestazioni percorso CO2 fissazione che è superiore a quella che si trova in natura. Erb chiama "ciclo CETCH" per crotonile-CoA / ethylmalonyl-CoA 12 / idrossibutirril-CoA. Perché CO2 'cetches' in modo più efficiente dall'atmosfera.

Con l'implementazione del concetto di metabolica "retrosynthesis," lo smontaggio della fase di reazione dopo passo tutta la strada fino ai precursori più piccoli, il team manipolato le condizioni termodinamiche e si avvicinò con una strategia che ha dato risultati più promettenti che hanno partecipato favorevolmente con naturale che si verificano vie metaboliche . Poi hanno toccato il fondo dei database pubblici per gli enzimi che possano sostenere il loro modello e diverse decine selezionato per provare.

"Per prima ricostituito sua graduale centrale CO2 fissazione sequenza di reazione, fornendo gli ingredienti per catalizzare le reazioni desiderate. Poi, seguendo il flusso di CO2 abbiamo scoperto che particolare reazione chiave era limitante."

Questo si è rivelato essere methylsuccinyl-CoA deidrogenasi (Mcd), parte di una famiglia di enzimi coinvolti nella respirazione - reazione metabolica nelle cellule di organismi convertire nutrienti come carbonio in unità di energia.

"Per superare questa limitazione, abbiamo progettato il Mcd di utilizzare l'ossigeno come accettore di elettroni, per amplificare la funzione, ma questo non era abbastanza", ha detto Erb. "Abbiamo dovuto sostituire l'impostazione percorso originale con sequenze di reazione alternative, abituati ulteriore ingegnerizzazione enzima per ridurre al minimo le reazioni collaterali di enzimi promiscua, e introdotto correzione di bozze enzimi per correggere la formazione di metaboliti dead-end", ha detto Erb.

A sostegno degli sforzi del team di MPI, il DOE JGI sintetizzato centinaia di Enoil-CoA carbossilasi / reduttasi (ECR), enzima varianti attraverso il suo programma Science Community (vedi sotto). Ciò ha permesso alla squadra MPI a zero sul ECR con la più alta attività CO2 fissazione per costruire con successo un percorso artificiale fissazione di CO2 più efficiente in una provetta.

"ECR sono enzimi sovralimentati che sono in grado di fissare CO2 al ritmo di quasi 20 volte più veloce del più ampiamente diffusa enzima-CO2 di fissaggio in natura, RuBisCo, che svolge il lavoro pesante coinvolti nella fotosintesi", ha detto Erb.

Questo processo chimico sfrutta la luce solare per trasformare l'anidride carbonica in zuccheri che le cellule possono utilizzare come energia, insieme ad altri processi naturali del pianeta e dei conti per la trasformazione di circa 350 miliardi di tonnellate di CO2 ogni anno.

Settanta anni fa, questo fenomeno ha catturato l'immaginazione dei primi Berkeley Lab ricercatore Melvin Calvin che, insieme a Andrew Benson e James Bassham, descritto, nelle piante, alghe e microrganismi, il ciclo che oggi porta il loro nome, e per il quale Calvino è stato assegnato il Nobel Premio nel 1961.

Questa generazione di ricercatori sono preoccupati per come catturare l'anidride carbonica in eccesso, rimuovere dall'atmosfera e renderlo in energia e prodotti naturali per l'economia.

"Ora Berkeley Lab attraverso il DOE Joint Genome Institute, è stato un importante contributo alla nostra comprensione della vasta diversità genetica dei microrganismi e il loro ruolo per l'ambiente, in particolare nel ciclo del carbonio", ha detto Yasuo Yoshikuni, il capo della Scienza DNA Synthesis gruppo al DOE JGI. "Con il sequenziamento phylum underexplored da nicchie ecologicamente importanti, abbiamo homed nei sui geni e le vie che ora siamo in grado di sintetizzare in laboratorio per svelare nuove strategie che la natura utilizza per il metabolismo del carbonio. Identificare questi geni che codificano gli enzimi -fixing di CO2 e la loro funzione biologica, è uno dei più importanti pezzi mancanti nel puzzle del clima. "

Incoraggiato dalla ricostituzione successo di una rete enzimatica sintetica in una provetta per la conversione di CO2 in prodotti organici che è superiore a processi chimici e compete con favorevolmente con quelli in natura, Erb detto questo apre la porta per altre applicazioni future.

"Queste potrebbero includere l'introduzione di cicli di CO2 di fissaggio sintetici in organismi per sostenere la fotosintesi naturale, o dire, in combinazione con il fotovoltaico, aprire la strada per la fotosintesi artificiale, questo potrebbe alla fine jumpstart la progettazione di autosostenersi, carbonio completamente sintetico metabolismo in sistemi batterici e di alghe. "

Yoshikuni guarda ad un futuro in cui il sequenziamento del DNA e le funzioni biologiche ulteriormente convergono sfruttando la sintesi del DNA. "Attraverso le capacità di sequenziamento high-throughput del DOE JGI accoppiato con il prezzo rapida diminuzione della sintesi del DNA, continuiamo a consentire alla nostra comunità di utenti nel portare alla luce il potenziale fisiologico dei microrganismi e delle comunità microbiche. A lungo termine, speriamo di aspettare di vedere questi risultati in provetta producono una nuova generazione di prodotti biologici reali forniti per affrontare l'energia critica e le sfide ambientali ".

Il significato più ampio di questo lavoro è quello di illustrare in modo drammatico l'aumento del ruolo di "pensiero di ingegneria" nel settore della biotecnologia, come la caratterizzazione accelerato della "lista delle parti" biologiche che emerge da un elevato throughput sequenziamento del genoma fornisce maggiori opportunità di ricostruire con le capacità di progettazione negli organismi viventi che rispondere alle esigenze di missione DOE in bioenergia e ambiente.

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