Немецкие ученые разработали эффективный способ поглощения углекислоты из воздуха

    image

    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
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 10

      +1
      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.


      Тогда уж лучше написать «учёные ожидают ЧУДА». А то как то с толку сбивает это противоречие.
        +3
        чего же сразу чуда. Просто журналисты смелее ученых. Звучит, полагаю, скорее в ключе «Мы еще не провели всех нужных тестов, но если не встретим неучтенных факторов, то получили крутую штуку»
        0
        до сих пор еще никому не удавалось использовать эту возможность для преобразования СО2 в биотопливо

        Выделять из воздуха CO2 нет никакой проблемы на тех же воздухоразделительных заводах. Проблема в том, что чтобы превратить CO2 в биотопливо, нужно затратить энергию, большую, чем та, что получится потом от сжигания биотоплива. То есть (в реалиях нынешней энергетики) — сжечь нефть и выбросить углекислого газа больше, чем было переработано.

          0
          Только производство необходимых для процесса ферментов, тоже требует затраты ресурсов и энергии, и сдаётся мне затраты не столь уж малы.
            +1
            Затраты будут примерно нулевыми, если встроить ген необходимого фермента непосредственно в геном растения.
              0
              В чем? Затраты, если говорить об исследовании, то, полагаю, аналогичные другому такому из области БХ.
              Касательно практического внедрения, что ещё явно слишком рано, то, полагаю, ферменты будут производится либо:
              а) После внедрения механизмов цикла в клетку, что автоматически исключает все, кроме расходов на поддержание условий.
              b) Получение каждого из ферментов из соответствующей культуры тканей/микроорганизмов, что сейчас для многих других энзимов уже поставлено на поток.
              Где тут значительные энергетические расходы, я сказать затрудняюсь.
              +2
              три простых атома молекулы СО2 медленно преобразуются в глюкозу

              … атомы которой куда сложнее

                0
                Ха! Сжигание топлива может стать отличной перспективой! Запускаем газопоршневую установку, выделяемый углекислый газ пускаем в ферментёры, получаем глюкозу, которую чистим и получаем безумное количество всевозможных продуктов биосинтеза (в последующих ферментерах).

                Со сбытом проблем не будет — глюкоза, пожалуй, один из самых востребованных продуктов в мире. Миллионы фермеров потеряют работу правда… но к этому моменту и много других профессий останутся не удел, если политики всё не испоганят.

                Это на 10-15 лет вперед если заглядывать. Даже если нужный штамм получат завтра. Био-организм надо научить приживаться к любой, а не только к лабораторной среде, большую часть «лишнего» в испарениях, конечно, можно оставить на фильтрах, но уголь и дизель сжигать точно будет проблематично — только чистейший газ.
                  –1
                  По моему, это перспективно не столько для топлива (спрос на которое падает и останавливаться не собирается), сколько для систем жизнеобеспечения в космосе. Да и сельскохозяйственным культурам этот фермент будет полезен.
                    0
                    Для терраформирования Венеры же. Где глюкоза, там и целлюлоза, можно представить такие летающие саморазмножающиеся острова, состоящие из пузыриков пены с кислородом внутри. Собирать ДНК, правда, придется с нуля, потому что нет фосфора и калия, хорошо хоть азота хватает. И вместо широко используемой земными растениями транспирации регулировку температуры придется делать изменением высоты полета, ну и наверное поворотом относительно Солнца. Или какие-нибудь отражающие реснички.

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое