Il formiato può essere considerato la spina dorsale di una bioeconomia a impatto zero in termini di emissioni di carbonio, prodotto a partire dalla CO2 mediante metodi (elettro)chimici e convertito in prodotti a valore aggiunto tramite cascate enzimatiche o microrganismi geneticamente modificati. Un passaggio importante per ampliare l'assimilazione del formiato sintetico è la sua complessa riduzione termodinamica della formaldeide, che qui appare come un cambiamento di colore giallo. Crediti: Istituto di Microbiologia Terrestre Max Planck/Geisel.
Gli scienziati del Max Planck Institute hanno creato una via metabolica sintetica che converte l'anidride carbonica in formaldeide con l'aiuto dell'acido formico, offrendo un metodo a impatto zero in termini di emissioni di carbonio per produrre materiali di valore.
Nuove vie anaboliche per la fissazione dell'anidride carbonica non solo contribuiscono a ridurre i livelli di CO2 nell'atmosfera, ma possono anche sostituire la tradizionale produzione chimica di farmaci e principi attivi con processi biologici a impatto zero in termini di 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 sequestro dell'anidride carbonica, proveniente 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 di fissazione dell'anidride carbonica. Sono riusciti a sviluppare una via metabolica artificiale che produce formaldeide altamente reattiva a partire dall'acido formico, un possibile intermedio nella fotosintesi artificiale. La formaldeide può entrare direttamente in diverse vie metaboliche per formare altre sostanze di valore senza alcun effetto tossico. Come in un processo naturale, sono necessari due ingredienti principali: energia e carbonio. La prima può essere fornita non solo dalla luce solare diretta, ma anche dall'elettricità, ad esempio tramite pannelli solari.
Nella catena del valore, le fonti di carbonio sono variabili. L'anidride carbonica non è l'unica opzione, si parla 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) che per il pianeta (il metano come gas serra). Solo dopo che l'acido formico è stato neutralizzato nel suo formiato basico, molti microrganismi ne tollerano elevate concentrazioni.
"L'acido formico è una fonte di carbonio molto promettente", sottolinea Maren Nattermann, prima autrice dello studio. "Ma la sua conversione in formaldeide in vitro richiede un grande dispendio energetico". Questo perché il formiato, il sale del formiato, non si converte facilmente in formaldeide. "Esiste una seria barriera chimica tra queste due molecole e, prima di poter effettuare una vera e propria reazione, dobbiamo superarla con l'aiuto dell'energia biochimica, ovvero 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 che può essere utilizzata per stimolare la crescita o la produzione. Ma in natura non esiste un modo simile. "La scoperta dei cosiddetti enzimi ibridi con molteplici funzioni 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, si verifica 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 degli enzimi prevede diversi approcci: scambio di blocchi 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. Ha spiegato Nattermann.
Risultati ottenuti in un periodo di tempo così breve non sarebbero stati possibili senza l'utilizzo di metodi ad alta produttività. A tal fine, i ricercatori hanno collaborato con il partner industriale Festo di Esslingen, in Germania. "Dopo circa 4.000 varianti, abbiamo quadruplicato la nostra resa", afferma Maren Nattermann. "In questo modo, abbiamo creato le basi per la crescita del microrganismo modello E. coli, il cavallo di battaglia microbico della biotecnologia, su acido formico. Tuttavia, al momento, le nostre cellule possono produrre solo formaldeide e non sono in grado di effettuare ulteriori trasformazioni."
In collaborazione con Sebastian Wink dell'Istituto di Fisiologia Molecolare delle Piante, i ricercatori del Max Planck stanno attualmente sviluppando un ceppo in grado di assorbire intermedi e introdurli nel metabolismo centrale. Parallelamente, 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 permetta di convertire l'anidride carbonica prodotta tramite processi elettrobiochimici in prodotti come insulina o biodiesel.
Riferimento: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Development of a new cascade for the conversion of phosphate-dependent formate to formaldehyde in vitro and in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, and Tobias J. Erb, May 9, 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
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