Как промышленный микроб превращает угарный газ в биотопливо
Учёные из Института морской микробиологии Макса Планка вместе с коллегой из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка экспериментально показали, как микроб Clostridium autoethanogenum превращает промышленные отходные газы в этанол. Это открытие имеет огромное значение для устойчивого производства топлива и химикатов.
Микроб для зелёных технологий
Clostridium autoethanogenum, впервые выделенный из кроличьего помёта, может жить на чистом угарном газе (CO), который ядовит для большинства организмов. Этот микроб использует углерод из CO для построения клеточных структур и получает энергию через химические реакции, которые могут производить ценные химические вещества и топливо.
Хотя этот организм уже используется на промышленных предприятиях для производства этанола, точный механизм этого процесса оставался неясным. Ключевым шагом считалось восстановление ацетата до ацетальдегида, но некоторые учёные сомневались в биологической возможности этой реакции. Исследование, опубликованное в Nature Chemical Biology, разрешило этот спор.
Молекулярный разбор реакции восстановления ацетата
Фермент, предположительно ответственный за эту сложную реакцию, — альдегид:ферредоксин оксидоредуктаза (AFOR). Он содержит вольфрам — самый тяжёлый атом в биологии, а также кластер железа и серы.
Учёные очистили фермент из C. autoethanogenum и определили его атомную структуру с помощью рентгеновской кристаллографии. Они с высокой точностью описали окружение атома вольфрама, но столкнулись с проблемой: фермент был неактивен.
«Однако долгой и упорной работой мы нашли способ реактивировать его», — объяснил Оливье Лемер, руководивший исследованием вместе с Тристаном Вагнером.
«Таким образом, мы смогли охарактеризовать фермент, — говорит соавтор исследования Мелисса Бельхамри. — У него относительно широкий спектр субстратов, что потенциально позволяет производить разные спирты помимо этанола».
Работа ферментов в команде делает невозможное возможным
Учёным нужно было объяснить, как AFOR выполняет термодинамически невыгодную реакцию. «Мы знали, что фермент не сможет легко восстановить ацетат из-за законов термодинамики, поэтому мы искали подсказки в уловках, которые микроб использует при росте на угарном газе», — сказал Тристан Вагнер.
Решение заключалось в смешивании разных ферментов вместе с AFOR. Учёные создали «искусственный путь» в пробирке и успешно произвели этанол из ацетата, подтвердив, что полная последовательность реакций биологически осуществима внутри клетки.
Превращение отходов в полезные продукты
Это исследование даёт долгожданный фрагмент метаболической головоломки производства этанола у этого организма.
«Открытие механизма реактивации AFOR, его молекулярное описание на атомном уровне и производство этанола по искусственному пути послужат текущему метаболическому инжинирингу C. autoethanogenum для производства других полезных веществ из промышленных отходных газов», — сказала Бельхамри. Этот процесс также можно перенести на другие организмы, что значительно расширит источники микробного производства биотоплива.
«Это ещё один шаг вперёд в производстве зелёной энергии через биоконверсию газа, явный прогресс в экономике замкнутого цикла углерода, дающий надежду на более чистый и разумный способ переработки углерода», — заключил Лемер.