Teadus: Hiina teadlased on teinud tärklist süsinikdioksiidist!

2021-11-01

Hiina Teaduste Akadeemia Tianjini tööstusliku biotehnoloogia instituudi Yanhe Ma juhitud meeskond on kavandanud ja konstrueerinud nullist 11-etapilise ebaloomuliku süsiniku sidumise ja tärklise sünteesi raja sarnasel "ehitusplokkide" viisil ning saavutanud täieliku sünteesi süsinikdioksiidist tärklise molekuliks laboris esimest korda. NMR ja muud testid näitasid, et sünteetilise tärklise struktuur oli kooskõlas loodusliku tärklise struktuuriga. Esialgsed laboriuuringud näitavad, et sünteetiline tärklis on ligikaudu 8,5 korda efektiivsem kui tavapõllumajanduses toodetud tärklis. Piisava energiavarustuse korral võrdub 1 kuupmeetrise bioreaktori aastane tärklisetoodang praeguste tehniliste parameetrite järgi Hiinas 5 mu maisimaa tärklise aastase toodanguga. See uus tee võimaldab nihutada tärklise tootmist traditsiooniliselt põllumajanduselt tööstuslikule tootmisele, avades uue tehnilise tee keerukate molekulide sünteesimiseks CO2-st.


Uurimistulemused pealkirjaga "Süsinikdioksiidi rakuvaba kemostärklise süntees" avaldati ajakirja Science viimases numbris ning avaldasid Xinhua News ja Science and Technology Daily.


[Skeemi kujundus]

Uurimisrühm kasutas sarnast "ehitusplokkide" lähenemisviisi, kasutades keemilisi katalüsaatoreid kasutades süsinikdioksiidi kõrge kontsentratsiooni ja suure tihedusega süsinikdioksiidi ühendite (C1) redutseerimise toimel ja seejärel ehitada uue polümerisatsiooni ensüümi süsinik. keemilise reaktsiooni põhimõte näitas süsinikuühendeid, mis agregeeriti süsinikuks 3 (C3), mis on lõplik optimeerimine bioloogilisel viisil. Seejärel polümeriseeritakse tritekarboksüülühendid süsiniku kuue (C6) ühenditeks, mis sünteesitakse edasi amüloosi ja amülopektiini (Cn) ühenditeks.

Töörühm kasutas formalaasi (FLS) tärklise sünteesiraja ensümaatilise osa kavandamiseks ja konstrueerimiseks kandidaat-C1 vaheühenditest ning koostas kombineeritud algoritmide abil kaks kokkuvõtlikku tärklise sünteesi rada sipelghappest või metanoolist. Põhimõtteliselt saab tärklist sünteesida CO2 üheksasuumalisel reaktsioonil sipelghappe või metanooliga, mis on C1 sildvaheühend (joonis 1, sisemine ring). Täpsemalt C1 moodulid (formaldehüüdi tootmiseks), C3 moodulid (D-glütseraldehüüdi 3-fosfaadi tootmiseks), C6 moodulid (D-glükoosi 6-fosfaadi tootmiseks) ja Cn moodulid (tärklise sünteesiks). Siiski leidsid autorid otsimise ja simulatsiooni abil, et energiasäästliku, kuid termodünaamiliselt ebasoodsa C1 mooduli toodetud formaldehüüd ei pruugi pakkuda materjali FLS-i kriitiliseks reaktsiooniks C3a moodulis. Seetõttu konstrueerisid nad alternatiivse C1 mooduli termodünaamiliselt soodsama reaktsioonikaskaadiga. Termodünaamiliselt soodsaim C1e moodul sai edukalt kokku pandud C3a mooduliga ja metanoolist saadi oluliselt suurem C3 ühendite saagis. Arvutusraja kavandamise abil lõi töörühm tehisliku tärklise anaboolse raja (ASAP) 1.0 10 metanoolipõhise ensümaatilise reaktsiooniga, ühendades ja asendades 11 moodulit, mis koosnesid 31 organismi 62 ensüümist (joonis 1, välimine ring). ASAP1.0 peamised vahesaadused ja sihtsaadused tuvastati isotoobi 13C märgistusega, mis kinnitas metanoolist tärklise sünteesi täielikku toimimist.

Joonis 1. Sünteetilise tärklise anaboolsete radade disain ja modulaarne kokkupanek


Pudelikaelaprobleemide lahendamine, ASAP 1.0 Advanced ASAP 2.0

Pärast ASAP 1.0 loomist püüdis uurimisrühm seda lähenemisviisi optimeerida, kõrvaldades võimalikud kitsaskohad. Esiteks moodustab ensüüm FLS oma madala kineetilise aktiivsuse tõttu ligikaudu 86% valgu koguannusest ASAP 1.0-s, et säilitada metaboolne voog ja hoida toksiline formaldehüüd väga madalal tasemel. Suunatud evolutsioon suurendas FLS-i katalüütilist aktiivsust, mille tulemuseks oli variant flS-M3, mille aktiivsus suurenes 4, 7 korda. Joonis 2B-D näitab, et FBP-AR variant sisaldab AMP allosteerilises kohas kahte mutatsiooni, mis võivad vähendada ADP inhibeerimist ja oluliselt parandada DHA G-6-P tootmist. FBP ja FBP-AR inhibeerimismustrid kolme nukleotiidiga näitasid, et ATP või ADP olid süsteemse inhibeerimise otsustavad tegurid. Integreerides FBP-AR teatatud G-6-P suhtes resistentse variandiga, täiustati kombineeritud varianti FBP-AGR veelgi. Arvestades ATP konkurentsi DAK ja ADP-glükoosi pürofosforülaasi (AGP) vahel, vähenes tärklise tootmine esimese 4 tunni jooksul ebanormaalselt substraadi DHA ja selle kinaasi DAK suurenemise tõttu (joonis 2A). Näitame, et DHA ja DAK kooseksisteerimine pärsib tõsiselt tärklise sünteesi Cnb kaudu (joonis 2E) ja ekspordib peamise tärklisetootena DHA fosfaati (DHAP) (joonis 2F, veerg 1), mis kinnitab, et DAK tarbib konkurentsivõimeliselt enamikku ATP-d. DAK-i kasutamise vähendamise asemel püüdsid autorid AGP võimekust suurendada. Teatatud aminohapete asenduste kohaselt näitasid need variandid DAK-ga suurenenud konkurentsi (joonis 2F). Parim variant, AGP-M3, suurendas edukalt DHA tärklise sünteesi ligikaudu kuus korda (joonis 2G).

Nende kolme konstrueeritud ensüümi (FLS-M3, FBP-AGR ja AGP-M3) abil konstrueeris uurimisrühm ASAP 2.0, mis tootis 10 tunni jooksul 20 mM metanoolist ligikaudu 230 MgL-1 amüloosi. Võrreldes ASAP 1.0-ga suurendas ASAP 2.0 tärklise tootlikkust 7,6 korda.

Joonis 2. Pudelikaela probleemi lahendamine ASAP-is


[Täiustatud ensümaatiline protsess, veelgi täiustatud ASAP 2.0]

Pärast ülaltoodud edu ASAP 2.0-s ühendas uurimisrühm ensümaatilise protsessi CO2 redutseerimisega eelnevalt välja töötatud anorgaanilise katalüsaatori zno-Zro2 abil, et sünteesida tärklist CO2-st ja vesinikust. CO2 hüdrogeenimise ebasoodsate tingimuste tõttu töötas uurimisrühm ASAP 3.0-s välja keemilise ensümaatilise kaskaadisüsteemi koos keemilise reaktsiooni ühikute ja ensümaatiliste reaktsiooniüksustega. Et rahuldada FLS-i nõudlust formaldehüüdi kõrge kontsentratsiooni järele ja vältida selle toksilisust teistele ensüümidele, kasutasid nad ensüümi stimuleerivat üksust kahes etapis (joonis 3A). Amülopektiini sünteesimiseks CO2-st võttis uurimisrühm ASAP 3.1-sse kasutusele Vibrio vulnificuse amülopektiini hargneva ensüümi (SBE). See seade andis 4 tunni jooksul ligikaudu 1,3 GL-1 amülopektiini (joonis 3A). Sünteetiline amülopektiin oli pärast joodiga töötlemist punakaspruuni värvusega ja selle maksimaalne imendumine oli võrreldav standardse amülopektiini omaga (joonis 3B). Nii sünteetilisel amüloosil kui ka amülopektiinil on samad 1-6 prootonilised NMR signaalid kui nende standardsetel vastetel (joonised 3C, 3D).

Joonis 3. Tärklise süntees CO2-st ASAP-i kaudu


〠kokkuvõte ã€'

Sellele paberile vastav autor Yan-he ma teadlane ütles, et tulemused süsinikdioksiidist kuni tärklise tootmiseni tööstusliku töökoja tootmiseni avavad akna, kui tulevased kulud võivad süsteemi protsessi vähendada majandusliku teostatavuseni, säästavad põllumajandusega võrreldes rohkem kui 90% põllumaast ja mageveeressurssidest vältige pestitsiide, keemilisi väetisi, näiteks negatiivset mõju keskkonnale, parandage inimeste toiduga kindlustatuse taset, edendage süsinikuneutraalset biomajanduslikku arengut ja edendage jätkusuutliku biopõhise ühiskonna teket. .