محققان در حال ساخت مسیر آنزیمی خود برای استخراج CO2 از هوا هستند


محققان در حال ساخت مسیر آنزیمی خود برای استخراج CO2 از هوا هستند

اولیویه لو موال گتی ایماژ

قبل از پایان این قرن ، تقریباً مطمئناً باید مقادیر زیادی دی اکسید کربن را از جو استخراج کنیم. اگرچه ما قبلاً می دانیم که چگونه کربن را بگیریم و ذخیره کنیم ، این کار انرژی و تجهیزات زیادی را می گیرد و کسی باید هزینه آن را بپردازد. بارگیری CO بسیار مقرون به صرفه تر خواهد بود2 از هوا ، اگر بتوانیم آن را به عنوان سوخت جت به یک محصول مفید تبدیل کنیم. اما چنین فرآیندهایی انرژی زیادی نیز می برد ، به علاوه مواد اولیه مانند هیدروژن که برای ایجاد انرژی انرژی لازم دارند.

گیاهان و مجموعه عظیمی از میکروب ها با موفقیت دی اکسید کربن را از هوا استخراج کرده و از آن برای تولید انواع مواد شیمیایی پیچیده (و ارزشمند!) استفاده می کنند. اما جاده هایی که آنها برای ترکیب CO استفاده می کنند2 آنها بسیار م effectiveثر نیستند ، بنابراین نمی توانند به اندازه کافی گازهای گلخانه ای را ترمیم کنند یا آن را در محصول کافی قرار دهند تا به ویژه مفید باشد. این امر باعث شده بسیاری از افراد شروع به مهندسی مجدد آنزیمی کنند که برای فتوسنتز ضروری است. اما تیمی از محققان اروپایی رویکرد کاملاً متفاوتی را در پیش گرفته اند: طراحی یک مسیر کاملاً جدید بیوشیمیایی که کربن را در CO ترکیب می کند.2 در مولکول های حیاتی برای متابولیسم اساسی سلول.

از نظر تئوری خوب به نظر می رسد

در موارد نادری که اکثر زیست شناسان به مسیرهای بیوشیمیایی فکر می کنند ، انرژی یک فکر پیگیری است. اکثر سلول ها آنقدر توانایی دارند که بتوانند ذخایر انرژی خود را بسوزانند تا مسیرهای کاملاً باورنکردنی را برای تأمین مواد شیمیایی مورد نظر خود پیش ببرند. اما استخراج کربن از جو یک نوع مسئله بسیار متفاوت است. شما می خواهید این اتفاق به عنوان یک قسمت مرکزی از متابولیسم سلول اتفاق بیفتد ، نه راهی برای محیط پیرامونی ، بنابراین کربن زیادی می گیرید. و شما می خواهید این اتفاق بیفتد به روشی کارآمدتر از گزینه هایی که سلول ها از قبل دارند.

با توجه به این ترفندها ، انرژی واقعاً مهم است. بنابراین برخی از بیوشیمیان تمام چرخه های واکنش را در داخل و اطراف آنهایی که معمولاً شامل دی اکسید کربن هستند ، گذرانده اند و با بررسی انرژی آنها ، سعی در یافتن سیگاری دارند که کمترین میزان انرژی را برای شکستن پیوندهای قوی بین کربن و اکسیژن. جای تعجب است که به نظر می رسد یکی از بهترین محققانی که آنها اختراع کرده اند در هیچ یک از سلولهای مورد بررسی قرار نگرفته است.

مواد اولیه شیمیایی لازم در اطراف وجود دارد و به روش های دیگری استفاده می شود. و آنزیم هایی وجود دارند که کارهای مربوطه را انجام می دهند. اما تا آنجا که می توانیم بگوییم ، تکامل هرگز برای کنار هم قرار دادن قطعات به زحمت نیفتاده است.

بنابراین محققان به این نتیجه رسیدند که اگر تکامل به کار بستگی نداشته باشد ، آنها مجبورند کار را بر عهده بگیرند.

راه خود

بنابراین چگونه مسیر بیوشیمی خود را عقب می زنید؟ شناسایی قبلی جاده موجود ، کار گنجانده شده در سند جدید را بسیار تسهیل کرد. این امر در حال حاضر مواد شیمیایی اولیه را که در سلول و در هر مرحله میانی متداول است ، شناسایی کرده است. آنچه محققان باید انجام دهند شناسایی آنزیم هایی بود که می توانند مواد شیمیایی را از مرحله به مرحله دیگر منتقل کنند. روی “می تواند” تمرکز کنید – به یاد داشته باشید که مسیر در طبیعت وجود ندارد ، بنابراین هیچ آنزیمی وجود ندارد که در این واکنش ها تخصص داشته باشد.

مسیر کاملاً کوتاه است و فقط به سه مرحله نیاز دارد. در اولین مورد ، ماده شیمیایی دی اکسیدکربن ، که در سلول ها شایع است (گلیکولات نامیده می شود) ، به یک فاکتور سلولی متصل می شود که باعث واکنش پذیری بیشتر آن می شود. در مرحله دوم ، گلیکولات فعال شده با کربنات واکنش نشان می دهد ، که اساساً نوعی دی اکسید کربن محلول در آب است. سپس مولکول سه کربن حاصل باید قبل از استفاده در عامل دیگر در متابولیسم سلول ، ضریب مشترک را شکسته کند. بنابراین محققان مجبور شدند برای هر مرحله آنزیمی پیدا کنند.

برای مرحله اول ، آنزیم های زیادی وجود دارد که کوفاکتور را به چیزی متصل می کنند یا آن را از یک مولکول به مولکول دیگر منتقل می کنند. محققان 11 مورد از آنها را آزمایش کردند (برخی طبیعی ، برخی دیگر قبلاً طراحی شده بودند) تا بدنبال مواردی باشند که روی گلیکول خوب کار کرده باشند. آنها دو مورد را یافتند که کار رضایت بخشی انجام می دهند – و عجیب این که ثابت شد یکی از کارهایی که کمتر انجام می شود آسان تر بود زیرا ما قبلاً درباره نحوه تنظیم آن چیزی می دانستیم.

به طور معمول ، یکی از اسیدهای آمینه موجود در یک پروتئین برای حذف فعالیت آنزیم ، اصلاح شیمیایی می شود. بنابراین محققان این اسید آمینه را تغییر دادند تا امکان اصلاح آن وجود نداشته باشد ، و به عنوان یک اقدام خوب ، آن را در یک نوع باکتری تولید کردند که قادر به اصلاح آن نبودند. این کار آنزیم محدود شده را با ضریب 30 افزایش می دهد. آنها همچنین یک آنزیم متصل را در نظر می گیرند که بر روی ماده شیمیایی مشابه اندازه گلیکول عمل می کند و تغییری ایجاد می کند که باید محل فعال آنزیمی را که واکنش نشان می دهد باز کند. این باعث افزایش 60 درصدی دیگر آنزیم شد.

با اعتقاد بر این که این امر به اندازه کافی خوب است ، محققان به خرید آنزیم دیگری پرداختند تا مرحله دوم مسیر اتصال اتم جدید کربن را کاتالیز کند. آنها تصمیم گرفتند مجموعه ای از آنزیم ها را آزمایش کنند که با استفاده از ماده شیمیایی کمی بزرگتر از گلیکول ، واکنش مشابه را کاتالیز می کنند. آنها فعالیتی را یافتند که آنها آن را “بسیار کم اما قابل اندازه گیری” توصیف کردند.

برای تقویت اولیه ، محقق ساختار آنزیم را بدست آورد و تغییراتی را ایجاد کرد که باید توانایی آن را در تعامل با گلیکولات افزایش دهد. وی سپس با یک جهش تصادفی روبرو شد و شکلی را با سه جهش شناسایی کرد که 50 برابر نسخه “بسیار کم اما قابل اندازه گیری” فعالیت دارد.

آنزیم های زیادی وجود دارد که کوفاکتور را از سایر مولکول ها جدا می کند ، بنابراین آزمایش این موارد آسان بود. محققان یکی از مواردی را یافتند که بدون تغییرات قابل توجهی کار می کند و با تولید گلیسرات ، یک مولکول سه کربنی که با گلیسرول ارتباط نزدیک دارد ، سفر را به پایان می رسانند. گلیسرات می تواند در مسیرهای متنوعی در سلول استفاده شود ، که بسیاری از آنها منجر به مولکول های بزرگتر و پیچیده تر می شوند.

خوب است ، اما عالی نیست

از نظر انرژی ، این کاملا عالی است. اگر مسیر طبیعی مورد استفاده گیاهان را با این مسیر جدید مقایسه کنیم ، با برخی اقدامات بسیار خوب به نظر می رسد. این جاده تقریباً به اندازه یکی از اصلی ترین مسیرهای بازیافت کربن در مصرف انرژی بسیار کارآمد است و بیشتر واکنش ها ادامه خواهد داشت و محصول نهایی مورد نظر را به جای آسیاب کردن تولید می کنیم. برای هر چرخه دو برابر کربن لازم است و برای تثبیت مقدار معادل کربن حدود 20 درصد انرژی کمتری مصرف می شود. و برخلاف آنزیم مورد استفاده در گیاهان ، با افزایش سطح اکسیژن خاموش نمی شود.

به عنوان یک جایزه اضافی ، محققان نشان داده اند که می تواند در مسیری قرار گیرد که بتواند آلاینده های محیطی مورد استفاده در تولید پلاستیک های PET را از بین ببرد.

اما محققان مسیر جدید موجود زنده را آزمایش نکرده اند. تمام آزمایشات در محلولها با استفاده از مواد مشتق شده از باکتریها انجام شده است و در طرح کلی موارد این کار خیلی موثر نبود. اگر شما یک گرم آنزیم لازم داشته باشید (که یک زیاد پروتئین) فقط 1.3 میلی گرم دی اکسید کربن در دقیقه از بین می برد. این بدان معناست که یک گرم آنزیم 13 ساعت طول خواهد کشید تا یک گرم دی اکسید کربن از جو خارج شود. و برای ادامه واکنش باید جاده به طور مداوم با انرژی تأمین شود.

در تمام این موارد ، محققان سیستم خارج سلولی را در یک محلول با اجزای مشتق شده از باکتری آزمایش کردند. ما نمی دانیم که اگر این بار در قفس قرار بگیرند ، این بار چگونه کار می کند – یا اینکه آیا م workثر است. اما اگر بخواهیم همانگونه كه نویسندگان پیشنهاد می كنند “كلیدی برای تجزیه و تحلیل زیست پایدار و اقتصاد زیستی بدون كربن” باشد ، این مرحله ضروری خواهد بود. و از آنجا که موجودات زنده می توانند گلیسیرین مصرف کنند و آن را در مواد شیمیایی بزرگتری که واقعاً می خواهیم وارد کنند ، و به این دلیل که بدن مجبور به کربن به آن وابسته است ، مطمئن ترین راه برای اجازه کار تکامل از این طریق با در حال حاضر بسیار موثرتر از آن است.

البته ، هیچ دلیلی وجود ندارد که فکر کنیم در نهایت امکان پذیر نخواهد بود. و شناخت اهمیت این کار مهم است. در حالی که گروه های دیگر به این نتیجه رسیده اند که چگونه آنزیم ها را برای انجام عملکردهای کاملاً جدید بهینه سازی می کنند ، این گروه مسیری کامل را طی کرده اند که فقط در محاسبات وجود داشته و آن را به یک واقعیت بیولوژیکی تبدیل کرده است ، و چندین آنزیم را در این روند تغییر می دهد. این اشاره به آینده ای دارد که در آن می توانیم کاری کنیم که زیست شناسی کارهای بسیار بیشتری از آنچه به تنهایی انجام می شود انجام دهد.

تجزیه و تحلیل طبیعی، 2021. DOI: 10.1038 / s41929-020-00557-y (برای DOI).


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*