Las nuevas vías metabólicas sintéticas para la fijación de dióxido de carbono no solo podrían ayudar a reducir el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera, sino también reemplazar los procesos químicos convencionales de fabricación de productos farmacéuticos e ingredientes activos con procesos biológicos neutros en carbono. Un nuevo estudio demuestra un proceso que puede convertir el dióxido de carbono en un material valioso para la industria bioquímica a través del ácido fórmico.
En vista del aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, la captura de carbono, el secuestro de dióxido de carbono de las grandes fuentes de emisión, es un problema urgente. En la naturaleza, la asimilación de dióxido de carbono se ha producido durante millones de años, pero su capacidad dista mucho de ser suficiente para compensar las emisiones provocadas por el hombre.
Los investigadores dirigidos por Tobias Erb en el Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre están utilizando la caja de herramientas de la naturaleza para desarrollar nuevas formas de fijación de dióxido de carbono. Ahora han logrado desarrollar una vía metabólica artificial que produce formaldehído altamente reactivo a partir de ácido fórmico, un posible producto intermedio de la fotosíntesis artificial. El formaldehído podría introducirse directamente en varias vías metabólicas para formar otras sustancias valiosas sin efectos tóxicos. Como en el proceso natural, se requieren dos componentes principales: Energía y carbono. El primero puede ser proporcionado no solo por la luz solar directa sino también por la electricidad, por ejemplo, de módulos solares.
El ácido fórmico es un bloque de construcción C1
Dentro de la cadena de valor agregado, la fuente de carbono es variable. el dióxido de carbono no es la única opción aquí, todos los monocarbonos (bloques de construcción C1) entran en cuestión : monóxido de carbono, ácido fórmico, formaldehído, metanol y metano. Sin embargo, casi todas estas sustancias son altamente tóxicas, ya sea para los organismos vivos (monóxido de carbono, formaldehído, metanol) o para el planeta (metano como gas de efecto invernadero). Solo el ácido fórmico, cuando se neutraliza a su formiato base, es tolerado por muchos microorganismos en altas concentraciones.
“El ácido fórmico es una fuente de carbono muy prometedora”, enfatiza Maren Nattermann, primera autora del estudio. « Pero convertirlo en formaldehído en el tubo de ensayo requiere bastante energía ». Esto se debe a que la sal del ácido fórmico, formiato, no se puede convertir fácilmente en formaldehído. « Hay una barrera química seria entre las dos moléculas que tenemos que salvar con energía bioquímica, ATP, antes de que podamos realizar la reacción real ».
El objetivo del investigador era encontrar una forma más económica. Después de todo, cuanta menos energía se necesita para introducir carbono en el metabolismo, más energía queda para impulsar el crecimiento o la producción. Pero tal camino no existe en la naturaleza. « Se necesita algo de creatividad para descubrir las denominadas enzimas promiscuas con múltiples funciones », dice Tobias Erb. « Sin embargo, el descubrimiento de enzimas candidatas es solo el comienzo. Estamos hablando de reacciones con las que se puede contar porque son muy lentas; en algunos casos, menos de una reacción por segundo por enzima. Pueden ocurrir reacciones naturales mil veces más rápido ». Aquí es donde entra la bioquímica sintética, dice Maren Nattermann : « Si conoce la estructura y el mecanismo de una enzima, sabe dónde intervenir. Aquí, nos beneficiamos significativamente del trabajo preliminar de nuestros colegas en investigación básica ».
La tecnología de alto rendimiento acelera la optimización de enzimas
La optimización de las enzimas constaba de varios enfoques: los bloques de construcción se intercambiaban específicamente y las mutaciones aleatorias se generaban y seleccionaban según su capacidad. « El formiato y el formaldehído se adaptan maravillosamente porque penetran las paredes celulares. Podemos poner formiato en el medio de cultivo de las células que producen nuestras enzimas y, después de unas horas, convertir el formaldehído producido en un tinte amarillo no tóxico », explica Maren Nattermann..
El resultado no hubiera sido posible en tan poco tiempo sin el uso de métodos de alto rendimiento. Para lograr esto, los investigadores cooperaron con su socio industrial Festo, con sede en Esslingen, Alemania. « Después de unas 4000 variantes, logramos una mejora de cuatro veces en la producción », dice Maren Nattermann. « Por lo tanto, hemos creado la base para que el modelo mikrobe Escherichia coli, el caballo de batalla microbiano de la biotecnología, crezca en ácido fórmico. Por ahora, sin embargo, nuestras células solo pueden producir formaldehído, no convertirlo más ».