Несмотря на огромное разнообразие организмов, способных вырабатывать ферменты для превращения диоксида углерода в органические соединения, до сих пор еще никому не удавалось использовать эту возможность для преобразования СО2 в биотопливо или возобновляемые источники для получения ценных химических веществ. Слишком высокая концентрация углекислого газа в атмосфере – это серьезная проблема, но некоторые ученые рассматривают ее как возможность.
Команда исследователей из Института земной микробиологии Общества Макса Планка в Марбурге, Германия, разработала для растений новый высокоэффективный метод переработки СО2. Он основывается на новом ферменте для связывания углерода, благодаря которому этот процесс может гипотетически идти в 2-3 раза быстрее.
Растения и водоросли вполне неплохо справляются с тем, чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере. Ежегодно они потребляют около 350 миллиардов тонн СО2 во всем мире. Почти все растения делают это с помощью одного и того же химического процесса, ряда химических реакций, называемых циклом Кальвина.
Цикл Кальвина представляет собой набор молекулярных превращений, в процессе которых три простых атома молекулы СО2 медленно преобразуются в глюкозу, сложный сахар. Этот способ достаточно хорошо отлажен эволюцией, но ученые нашли способ его улучшить.
Успешное завершение цикла Кальвина зависит от конкретного молекулярного инструмента – рибулозобисфосфаткарбоксилаза (RuBisCO) – фермента, который захватывает СО2 из атмосферы и формирует крупную молекулу, чтобы начать превращение. Проблема в том, что RuBisCO делает это относительно медленно. Кроме того, каждая пятая попытка RuBisCO зафиксировать CO2 приводит потерям углерода из цикла Кальвина и снижает эффективность фотосинтеза.
Биохимики во главе с Тобиасом Эрбом разработали в пробирке цикл поглощения углерода, во многом схожий с циклом Кальвина. Главное отличие нового способа заключается в том, что в нем используются более быстрый и эффективный молекулярный инструмент – фермент ECR, который выполняет ту же работу, что и RuBisCO, только, примерно, в 9 раз быстрее. Эрб назвал этот процесс циклом CETCH. Помимо фермента ECR, ученые путем секвенирования и синтеза вывели еще 16 катализаторов из 9 различных организмов для CETCH цикла.
Цикл CETCH превращает переносимый по воздуху СО2 в глиоксилат за 11 шагов. На каждом этапе требуется фермент, трансформирующий молекулы. Каждый из таких ферментов был тщательно отобран из 40 тысяч известных катализаторов. Некоторые из них обнаружились в организме человека и кишечных бактериях, другие взяли из растений и микробов, обитающих в Мировом океане.
Эрб и его коллеги проверили CETCH цикл в своей лаборатории. Они соединили все добытые катализаторы с некоторым количеством химического топлива и подсчитали, сколько углекислого газа было изъято из воздуха. Они обнаружили, что их цикл на 25% эффективнее, чем цикл Кальвина в растениях и водорослях. CETCH преобразует диоксид углерода в органические молекулы со скоростью 5 нмоль СО2 в минуту на миллиграмм белка.
Ободренный успешным восстановлением синтетической ферментативной сети в пробирке, которая, к тому же, может конкурировать с природными циклами, Эрб открывает сразу несколько дверей для использования технологии CETCH. Если ввести синтетические ферменты в живой организм, цикл CETCH поддержит естественный фотосинтез. В конце концов, он же может послужить толчком разработки самодостаточного, полностью синтетического углеродного обмена веществ в бактериальных и водорослевых системах.
Эрб отмечает, что на этом этапе очень трудно спрогнозировать, насколько быстрым будет синтезированный CETCH по сравнению с циклом Кальвина, который работает в живых организмах. Но поскольку он проходит меньшее количество этапов и его ферменты быстрее, ученые ожидают ускорения в два или три раза. В конечном итоге он может оказаться немного медленнее, чем цикл Кальвина. Ученые просто не знают этого наверняка, пока.
Хотя глиоксилат, который получается в ходе цикла CETCH во многом бесполезен сам по себе, его можно легко преобразовать в другое химическое вещество, пригодное для производства биотоплива или анитибиотиков.
Ученые надеются, что однажды цикл CETCH можно будет внедрить в живой организм с помощью методов генной инженерии. Однако это весьма непростая задача, для решения которой необходимо провести множество исследований. Сейчас команда Эрба не имеет ни малейшего представления о том, что произойдет, если их цикл разместить внутри системы живой клетки.
«Попробуйте вообразить, будто ученым удалось создать что-то вроде искусственных листьев или любую другую гибридную систему, в которой фотоэлектрические солнечные батареи могут обеспечить энергией водоросли и бактерии, живущие под ними. Тогда, используя цикл CETCH, они смогут поглощать диоксид углерода и вырабатывать полезные химические вещества» – говорит Тобиас Эрб.
Сейчас в основе всей химической промышленности лежит использование ископаемого топлива. Пластмассы и текстиль, техника и антибиотики – все это производится с огромным количеством выбросов углекислого газа. Вместо того, чтобы обременять планету новыми выбросами, химическое производство могло бы активно бороться с изменением климата, создавая полезные продукты из CO2.
Научная работа опубликована в журнале Science 18 ноября 2016 года
DOI: 10.1126 / science.aah5237
