Инженерный подход к созданию более эффективной системы утилизации углекислого газа

Исследователи из Института наземной микробиологии Макса Планка (Германия) совместно с Объединенным институтом геномных исследований Министерства энергетики США (DOE JGI) создали в пробирке новый, более эффективный искусственный путь фиксации CO₂.

Новый подход и путь CETCH

Вместо попыток собрать синтетический путь в живом организме, команда использовала радикально иной, редукционистский подход, собрав основные компоненты «снизу вверх» в пробирке. Они не ограничивались известными ферментами, а рассматривали все биохимически возможные реакции, используя концепцию метаболического «ретросинтеза».

В результате был создан цикл CETCH (кротонил-КоА/этилмалонил-КоА/гидроксибутирил-КоА), который «вылавливает» CO₂ из атмосферы эффективнее природных аналогов. Для его сборки были использованы 17 различных ферментов из 9 разных организмов всех трех доменов жизни.

Ключевой фермент

Центральным элементом пути стала высокоактивная карбоксилаза/редуктаза эноил-КоА (ECR). Этот фермент фиксирует CO₂ со скоростью, почти в 20 раз превышающей скорость ключевого фермента фотосинтеза растений — RuBisCo, который ежегодно преобразует около 350 миллиардов тонн CO₂.

Преодоление ограничений

Исследователи выявили и преодолели лимитирующую стадию, связанную с ферментом метилсукцинил-КоА дегидрогеназой (Mcd). Потребовалась его инженерия для использования кислорода в качестве акцептора электронов, замена части пути альтернативными реакциями и введение «корректирующих» ферментов для устранения побочных продуктов.

Значение и перспективы

Эта работа демонстрирует растущую роль инженерного мышления в биотехнологии. Успешное создание в пробирке синтетической ферментативной сети, превосходящей по эффективности химические процессы и конкурирующей с природными, открывает двери для будущих приложений.

К ним могут относиться:

• Внедрение синтетических циклов фиксации CO₂ в организмы для усиления естественного фотосинтеза.
• Создание искусственного фотосинтеза в комбинации с фотovoltaикой.
• Разработка полностью синтетического углеродного метаболизма в бактериальных и водорослевых системах для производства биотоплива и возобновляемых химикатов.

Как отметил Ясуо Ёсикуни из DOE JGI, сочетание высокопроизводительного секвенирования и снижающейся стоимости синтеза ДНК позволяет раскрывать физиологический потенциал микроорганизмов и в перспективе создать новое поколение биопродуктов для решения энергетических и экологических задач.