Il formiato può essere considerato la spina dorsale di una bioeconomia a zero emissioni di carbonio, prodotto a partire da CO2 con metodi (elettro)chimici e convertito in prodotti a valore aggiunto tramite cascate enzimatiche o microrganismi ingegnerizzati. Un passo importante nell'espansione dell'assimilazione del formiato sintetico è la sua riduzione termodinamicamente complessa della formaldeide, che qui appare come una variazione di colore giallo. Crediti: Istituto di Microbiologia Terrestre Max Planck/Geisel.
Gli scienziati del Max Planck Institute hanno creato un percorso metabolico sintetico che converte l'anidride carbonica in formaldeide con l'aiuto dell'acido formico, offrendo un modo a zero emissioni di carbonio per produrre materiali preziosi.
Nuove vie anaboliche per la fissazione dell'anidride carbonica non solo contribuiscono a ridurre i livelli di anidride carbonica nell'atmosfera, ma possono anche sostituire la tradizionale produzione chimica di farmaci e principi attivi con processi biologici a zero emissioni di carbonio. Una nuova ricerca dimostra un processo mediante il quale l'acido formico può essere utilizzato per convertire l'anidride carbonica in un materiale prezioso per l'industria biochimica.
Dato l'aumento delle emissioni di gas serra, il sequestro del carbonio o dell'anidride carbonica da grandi fonti di emissione è una questione urgente. In natura, l'assimilazione dell'anidride carbonica avviene da milioni di anni, ma la sua capacità è ben lungi dall'essere sufficiente a compensare le emissioni antropiche.
I ricercatori guidati da Tobias Erb dell'Istituto di Microbiologia Terrestre Max Planck utilizzano strumenti naturali per sviluppare nuovi metodi per fissare l'anidride carbonica. Sono ora riusciti a sviluppare un percorso metabolico artificiale che produce formaldeide altamente reattiva dall'acido formico, un possibile intermedio nella fotosintesi artificiale. La formaldeide può entrare direttamente in diversi percorsi metabolici per formare altre sostanze preziose senza effetti tossici. Come in un processo naturale, sono necessari due ingredienti principali: energia e carbonio. Il primo può essere fornito non solo dalla luce solare diretta, ma anche dall'elettricità, ad esempio dai moduli solari.
Nella catena del valore, le fonti di carbonio sono variabili. L'anidride carbonica non è l'unica opzione, stiamo parlando di tutti i singoli composti del carbonio (elementi costitutivi C1): monossido di carbonio, acido formico, formaldeide, metanolo e metano. Tuttavia, quasi tutte queste sostanze sono altamente tossiche, sia per gli organismi viventi (monossido di carbonio, formaldeide, metanolo) sia per il pianeta (metano come gas serra). È solo dopo che l'acido formico è stato neutralizzato nel suo formiato basico che molti microrganismi ne tollerano elevate concentrazioni.
"L'acido formico è una fonte di carbonio molto promettente", sottolinea Maren Nattermann, prima autrice dello studio. "Ma convertirlo in formaldeide in vitro richiede un elevato consumo energetico". Questo perché il formiato, il suo sale, non si converte facilmente in formaldeide. "Esiste una seria barriera chimica tra queste due molecole e, prima di poter effettuare una vera reazione, dobbiamo superarla con l'aiuto dell'energia biochimica: l'ATP".
L'obiettivo dei ricercatori era trovare un modo più economico. Dopotutto, minore è l'energia necessaria per immettere carbonio nel metabolismo, maggiore è l'energia disponibile per stimolare la crescita o la produzione. Ma in natura non esiste un metodo simile. "La scoperta dei cosiddetti enzimi ibridi con funzioni multiple ha richiesto una certa creatività", afferma Tobias Erb. "Tuttavia, la scoperta di enzimi candidati è solo l'inizio. Stiamo parlando di reazioni che possono essere contate insieme perché sono molto lente: in alcuni casi, c'è meno di una reazione al secondo per enzima. Le reazioni naturali possono procedere a una velocità mille volte superiore". È qui che entra in gioco la biochimica sintetica, afferma Maren Nattermann: "Se si conosce la struttura e il meccanismo di un enzima, si sa dove intervenire. È stato di grande beneficio".
L'ottimizzazione enzimatica prevede diversi approcci: scambio di elementi costitutivi specializzati, generazione di mutazioni casuali e selezione della capacità. "Sia il formiato che la formaldeide sono molto adatti perché possono penetrare le pareti cellulari. Possiamo aggiungere formiato al terreno di coltura cellulare, che produce un enzima che trasforma la formaldeide risultante in un colorante giallo non tossico dopo poche ore", ha affermato Maren. Nattermann ha spiegato.
Risultati così rapidi non sarebbero stati possibili senza l'impiego di metodi ad alta produttività. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno collaborato con il partner industriale Festo di Esslingen, in Germania. "Dopo circa 4.000 variazioni, abbiamo quadruplicato la nostra resa", afferma Maren Nattermann. "Abbiamo così creato le basi per la crescita del microrganismo modello Escherichia coli, il cavallo di battaglia microbico della biotecnologia, su acido formico. Tuttavia, al momento, le nostre cellule possono solo produrre formaldeide e non possono trasformarla ulteriormente".
In collaborazione con il suo collaboratore Sebastian Wink dell'Istituto di Fisiologia Molecolare Vegetale, i ricercatori del Max Planck stanno attualmente sviluppando un ceppo in grado di assorbire intermedi e introdurli nel metabolismo centrale. Allo stesso tempo, il team sta conducendo ricerche sulla conversione elettrochimica dell'anidride carbonica in acido formico con un gruppo di lavoro presso l'Istituto di Conversione Chimica dell'Energia del Max Planck, sotto la direzione di Walter Leitner. L'obiettivo a lungo termine è una "piattaforma universale" che, partendo dall'anidride carbonica prodotta da processi elettrobiochimici, si trasformi in prodotti come l'insulina o il biodiesel.
Riferimento: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu "Sviluppo di una nuova cascata per la conversione del formiato dipendente dal fosfato in formaldeide in vitro e in vivo", Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez e Tobias J. Erb, 9 maggio 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
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