Μια σημαντική καινοτομία στον τομέα της συνθετικής βιολογίας, η οποία υπόσχεται να αλλάξει τα δεδομένα στη διαχείριση των αερίων του θερμοκηπίου, ανακοίνωσαν ερευνητές από τα πανεπιστήμια Stanford και Northwestern. Η επιστημονική ομάδα ανέπτυξε έναν νέο, τεχνητό μεταβολισμό που έχει την ικανότητα να μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε χρήσιμα χημικά δομικά στοιχεία, ανοίγοντας τον δρόμο για την παραγωγή βιώσιμων καυσίμων και υλικών με αρνητικό αποτύπωμα άνθρακα.
Ξεπερνώντας τους περιορισμούς της φύσης
Η μελέτη παρουσιάζει μια μέθοδο που αψηφά τους φυσικούς περιορισμούς. Οι επιστήμονες σχεδίασαν ένα βιολογικό σύστημα ικανό να μετατρέψει το μυρμηκικό οξύ (formate) — ένα απλό υγρό μόριο που παράγεται εύκολα από το ατμοσφαιρικό CO2, το νερό και τον ηλεκτρισμό — σε ακετυλο-συνένζυμο Α (acetyl-CoA). Το ακετυλο-συνένζυμο Α αποτελεί έναν θεμελιώδη μεταβολίτη, ένα είδος «κλειδιού» για κάθε ζωντανό κύτταρο, το οποίο χρησιμοποιείται για τη σύνθεση πλήθους βιομορίων.
Ως απόδειξη της αποτελεσματικότητας του συστήματος, οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν τον μηχανισμό αυτό για να μετατρέψουν το ακετυλο-συνένζυμο Α σε μηλικό οξύ, μια χημική ένωση με υψηλή εμπορική αξία που βρίσκει εφαρμογές στη βιομηχανία τροφίμων, στα καλλυντικά και στα βιοδιασπώμενα πλαστικά.
Ο Michael Jewett, καθηγητής Βιομηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Stanford και επικεφαλής της μελέτης, τόνισε την επιτακτική ανάγκη για νέες λύσεις:
Χρειαζόμαστε επειγόντως οικονομικά αποδοτικούς και ενεργειακά βιώσιμους τρόπους για να αντιμετωπίσουμε την αφθονία του CO2 στην ατμόσφαιρά μας. Η βιολογία προσφέρει μια συναρπαστική πιθανή διαδρομή, αλλά μέχρι σήμερα παραμένει αναποτελεσματική στη μετατροπή του CO2 σε “πράσινα” χημικά.
Το μονοπάτι ReForm και η καινοτομία «χωρίς κύτταρα»
Το νέο σύστημα ονομάστηκε «Reductive Formate Pathway» (ReForm) και διαφέρει ριζικά από τις φυσικές μεταβολικές οδούς. Είναι πλήρως συνθετικό και λειτουργεί εκτός των ζωντανών κυττάρων. Οι ερευνητές ουσιαστικά κατασκεύασαν τον μηχανισμό χρησιμοποιώντας ένζυμα που πραγματοποιούν αντιδράσεις οι οποίες δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ στη φύση.
Παρόλο που το μυρμηκικό οξύ θεωρείται ιδανική πρώτη ύλη για την ανακύκλωση του άνθρακα, τα ζωντανά κύτταρα δυσκολεύονται να το αξιοποιήσουν αποδοτικά. Ελάχιστα μικρόβια μπορούν να το χωνέψουν φυσικά και η τροποποίησή τους για βιομηχανική παραγωγή είναι εξαιρετικά δύσκολη. Όπως εξηγεί ο Ashty Karim, επίκουρος καθηγητής στο Northwestern και συν-επικεφαλής της έρευνας, στη φύση δεν υπάρχει μηχανισμός που να μετατρέπει το μυρμηκικό οξύ σε ακετυλο-συνένζυμο Α. Η ομάδα χρειάστηκε να σχεδιάσει μια θεωρητική διαδρομή και να αναζητήσει ένζυμα με λειτουργίες ανύπαρκτες στο φυσικό περιβάλλον.
Για να το επιτύχουν αυτό, στράφηκαν στη συνθετική βιολογία χωρίς κύτταρα. Η τεχνική αυτή μοιάζει με το να αφαιρείς τη μηχανή από ένα αυτοκίνητο για να τη χρησιμοποιήσεις ανεξάρτητα. Οι επιστήμονες ανοίγουν το τοίχωμα του κυττάρου, συλλέγουν τον μοριακό εξοπλισμό (ένζυμα, συμπαράγοντες) και τον τοποθετούν σε δοκιμαστικό σωλήνα. Αυτό τους επιτρέπει να παράγουν προϊόντα γρήγορα, φθηνά και με ασφάλεια, χωρίς τους περιορισμούς που θέτει η επιβίωση ενός ζωντανού οργανισμού.
Ταχύτητα και ακρίβεια
Η προσέγγιση «χωρίς κύτταρα» επέτρεψε στην ομάδα να ελέγξει 66 ένζυμα και περισσότερες από 3.000 παραλλαγές ενζύμων με αστραπιαίους ρυθμούς. Ενώ η παραδοσιακή μέθοδος με ζωντανά κύτταρα θα απαιτούσε μήνες για να δοκιμαστούν ελάχιστα ένζυμα, το περιβάλλον του εργαστηρίου επέτρεψε τον έλεγχο χιλιάδων παραλλαγών κάθε εβδομάδα.
Το τελικό σχέδιο του μονοπατιού ReForm περιλαμβάνει έξι συνολικά βήματα αντίδρασης, όπου πέντε ειδικά σχεδιασμένα ένζυμα συνεργάζονται για να μετατρέψουν το μυρμηκικό οξύ σε ακετυλο-συνένζυμο Α. Λειτουργώντας εκτός κυττάρου, οι ερευνητές μπόρεσαν να ελέγξουν με ακρίβεια τις συγκεντρώσεις και τις συνθήκες, κάτι που θα ήταν σχεδόν αδύνατο μέσα σε έναν ζωντανό οργανισμό.
Προοπτικές για ένα βιώσιμο μέλλον
Η επιτυχία του ReForm δεν περιορίζεται μόνο στο εργαστήριο. Η ομάδα απέδειξε ότι το σύστημα μπορεί να δεχτεί και άλλες πηγές άνθρακα, όπως η φορμαλδεΰδη και η μεθανόλη. Το έργο αυτό σηματοδοτεί μια σημαντική πρόοδο για τη συνθετική βιολογία και την ανακύκλωση άνθρακα.
Οι εφαρμογές της τεχνολογίας είναι τεράστιες. Από την παραγωγή βιοπλαστικών και καλλυντικών μέχρι τη δημιουργία συνθετικών καυσίμων που δεν επιβαρύνουν το κλίμα, ο τεχνητός μεταβολισμός προσφέρει μια ρεαλιστική διέξοδο για την αξιοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα που ήδη υπάρχει στην ατμόσφαιρα.
