Sintetička biologija hvata ugljik bolje od prirode

Istraživači na njemačkom Max-Planck Institutu za zemaljsku mikrobiologiju razvili su sintetski biokemijski ciklus koji izravno pretvara CO2 u središnji građevni blok acetil-CoA. Istraživači su uspjeli implementirati svaki od tri modula ciklusa u bakteriju E. coli, što predstavlja veliki korak prema realizaciji sintetskog fiksiranja CO2 u kontekstu živih stanica.

Razvijanje novih načina za hvatanje i pretvorbu CO2 ključno je za rješavanje hitne klimatske situacije. Sintetička biologija otvara puteve za dizajniranje novih sustava fiksacije CO2 koji hvataju CO2 učinkovitije od onih koje je razvila priroda. Međutim, realizacija u različitim in vitro i in vivo sustavima još uvijek je temeljni izazov.

Sada su istraživači u skupini Tobiasa Erba dizajnirali i konstruirali novi sintetski put fiksacije CO2, takozvani THETA ciklus. Sadrži nekoliko središnjih metabolita kao međuproizvoda i sa središnjim građevnim blokom, acetil-CoA, kao izlazom. Ova karakteristika omogućuje podjelu na module i integraciju u središnji metabolizam bakterije E. coli.

Cijeli THETA ciklus uključuje 17 biokatalizatora, a osmišljen je oko dva najbrža do sada poznata enzima za fiksiranje CO2, krotonil-CoA karboksilaze/reduktaze i fosfoenolpiruvat karboksilaze. Istraživači su ove moćne biokatalizatore pronašli u bakterijama. Iako svaka od karboksilaza može uhvatiti CO2 više od 10 puta brže od RubisCO enzima za fiksiranje CO2 u kloroplastima, sama evolucija nije objedinila ove sposobne enzime u prirodnoj fotosintezi.

THETA ciklus pretvara dvije molekule CO2 u jednu acetil-CoA u jednom ciklusu. Acetil-CoA je središnji metabolit u gotovo cijelom staničnom metabolizmu i služi kao građevni blok za širok niz vitalnih biomolekula, uključujući biogoriva, biomaterijale i lijekove, što ga čini spojem od velikog interesa u biotehnološkim primjenama.

Nakon konstruiranja ciklusa u epruvetama, istraživači su mogli potvrditi njegovu funkcionalnost. Zatim je započela obuka. Kroz racionalnu optimizaciju vođenu strojnim učenjem tijekom nekoliko krugova eksperimenata, tim je uspio poboljšati prinos acetil-CoA za faktor 100.

Kako bi se testirala njegova izvedivost in vivo, ugradnju u živu stanicu treba provoditi korak po korak. U tu svrhu, istraživači su podijelili THETA ciklus u tri modula, od kojih je svaki uspješno implementiran u bakteriju E. coli. Funkcionalnost ovih modula potvrđena je selekcijom povezanom s rastom i/ili izotopskim označavanjem.

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Catalysis možete pronaći na ovoj poveznici.