Format dapat dilihat sebagai tulang punggung bioekonomi netral karbon, yang diproduksi dari CO2 menggunakan metode (elektro)kimia dan diubah menjadi produk bernilai tambah menggunakan rangkaian enzim atau mikroorganisme hasil rekayasa. Langkah penting dalam memperluas asimilasi format sintetis adalah reduksi formaldehida yang kompleks secara termodinamika, yang di sini tampak sebagai perubahan warna kuning. Kredit: Institut Mikrobiologi Terestrial Max Planck/Geisel.
Para ilmuwan di Institut Max Planck telah menciptakan jalur metabolisme sintetis yang mengubah karbon dioksida menjadi formaldehida dengan bantuan asam format, menawarkan cara netral karbon untuk menghasilkan material berharga.
Jalur anabolik baru untuk fiksasi karbon dioksida tidak hanya membantu mengurangi kadar karbon dioksida di atmosfer, tetapi juga dapat menggantikan produksi kimia tradisional obat-obatan dan bahan aktif dengan proses biologis netral karbon. Penelitian baru menunjukkan suatu proses di mana asam format dapat digunakan untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan yang berharga bagi industri biokimia.
Mengingat peningkatan emisi gas rumah kaca, penangkapan karbon atau penangkapan karbon dioksida dari sumber emisi besar merupakan isu yang mendesak. Di alam, asimilasi karbon dioksida telah berlangsung selama jutaan tahun, tetapi kekuatannya masih jauh dari cukup untuk mengimbangi emisi antropogenik.
Para peneliti yang dipimpin oleh Tobias Erb dari Institut Mikrobiologi Terestrial Max Planck menggunakan alat-alat alami untuk mengembangkan metode baru dalam mengikat karbon dioksida. Mereka kini telah berhasil mengembangkan jalur metabolisme buatan yang menghasilkan formaldehida yang sangat reaktif dari asam format, suatu zat perantara yang mungkin berperan dalam fotosintesis buatan. Formaldehida dapat langsung masuk ke beberapa jalur metabolisme untuk membentuk zat-zat berharga lainnya tanpa efek toksik. Seperti halnya proses alami, dibutuhkan dua bahan utama: energi dan karbon. Energi dapat disediakan tidak hanya oleh sinar matahari langsung, tetapi juga oleh listrik – misalnya, modul surya.
Dalam rantai nilai, sumber karbon bersifat variabel. Karbon dioksida bukanlah satu-satunya pilihan di sini, kita berbicara tentang semua senyawa karbon individual (blok pembangun C1): karbon monoksida, asam format, formaldehida, metanol, dan metana. Namun, hampir semua zat ini sangat beracun, baik bagi organisme hidup (karbon monoksida, formaldehida, metanol) maupun bagi planet (metana sebagai gas rumah kaca). Hanya setelah asam format dinetralkan menjadi format dasarnya, barulah banyak mikroorganisme dapat mentolerir konsentrasi tinggi asam format.
“Asam format merupakan sumber karbon yang sangat menjanjikan,” tegas Maren Nattermann, penulis utama studi tersebut. “Namun, mengubahnya menjadi formaldehida secara in vitro sangat membutuhkan energi.” Hal ini karena format, garam dari asam format, tidak mudah diubah menjadi formaldehida. “Terdapat hambatan kimia yang serius antara kedua molekul ini, dan sebelum kita dapat melakukan reaksi yang sebenarnya, kita harus mengatasinya dengan bantuan energi biokimia – ATP.”
Tujuan para peneliti adalah untuk menemukan cara yang lebih ekonomis. Lagipula, semakin sedikit energi yang dibutuhkan untuk memasukkan karbon ke dalam metabolisme, semakin banyak energi yang dapat digunakan untuk merangsang pertumbuhan atau produksi. Tetapi tidak ada cara seperti itu di alam. “Penemuan apa yang disebut enzim hibrida dengan banyak fungsi membutuhkan kreativitas,” kata Tobias Erb. “Namun, penemuan enzim kandidat hanyalah permulaan. Kita berbicara tentang reaksi yang dapat dihitung bersama karena sangat lambat—dalam beberapa kasus, kurang dari satu reaksi per detik per enzim. Reaksi alami dapat berlangsung dengan kecepatan seribu kali lebih cepat.” Di sinilah biokimia sintetik berperan, kata Maren Nattermann: “Jika Anda mengetahui struktur dan mekanisme suatu enzim, Anda tahu di mana harus melakukan intervensi. Ini sangat bermanfaat.”
Optimasi enzim melibatkan beberapa pendekatan: pertukaran blok pembangun khusus, pembangkitan mutasi acak, dan seleksi kapasitas. “Baik format maupun formaldehida sangat cocok karena dapat menembus dinding sel. Kita dapat menambahkan format ke media kultur sel, yang menghasilkan enzim yang mengubah formaldehida yang dihasilkan menjadi pewarna kuning tidak beracun setelah beberapa jam,” kata Maren. Nattermann menjelaskan.
Hasil dalam waktu sesingkat itu tidak mungkin tercapai tanpa penggunaan metode berkapasitas tinggi. Untuk melakukan ini, para peneliti berkolaborasi dengan mitra industri Festo di Esslingen, Jerman. “Setelah sekitar 4.000 variasi, kami melipatgandakan hasil kami,” kata Maren Nattermann. “Dengan demikian, kami telah menciptakan dasar untuk pertumbuhan mikroorganisme model E. coli, mikroba andalan bioteknologi, pada asam format. Namun, saat ini, sel-sel kami hanya dapat menghasilkan formaldehida dan tidak dapat melakukan transformasi lebih lanjut.”
Bekerja sama dengan kolaboratornya, Sebastian Wink dari Institut Fisiologi Molekuler Tumbuhan, para peneliti Max Planck saat ini sedang mengembangkan strain yang dapat menyerap zat perantara dan memasukkannya ke dalam metabolisme sentral. Pada saat yang sama, tim tersebut melakukan penelitian tentang konversi elektrokimia karbon dioksida menjadi asam format dengan kelompok kerja di Institut Konversi Energi Kimia Max Planck di bawah arahan Walter Leitner. Tujuan jangka panjangnya adalah "platform serbaguna" dari karbon dioksida yang dihasilkan oleh proses elektrobiokimia menjadi produk seperti insulin atau biodiesel.
Referensi: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Pengembangan kaskade baru untuk konversi format yang bergantung pada fosfat menjadi formaldehida secara in vitro dan in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez, dan Tobias J. Erb, 9 Mei 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: Sumber berita teknologi terbaik sejak 1998. Ikuti terus berita teknologi terbaru melalui email atau media sosial. > Ringkasan email dengan berlangganan gratis
Para peneliti di Cold Spring Harbor Laboratories menemukan bahwa SRSF1, protein yang mengatur penyambungan RNA, mengalami peningkatan ekspresi di pankreas.