Para peneliti membuat jalur enzim mereka sendiri untuk mengeluarkan karbon dioksida dari udara

Sebelum abad ini berakhir, kita pasti perlu menghilangkan karbon dioksida dalam jumlah besar dari atmosfer. Meskipun kita sudah tahu bagaimana melakukan penangkapan dan penyimpanan karbon, hal itu membutuhkan energi dan peralatan yang cukup, dan seseorang harus membayar semuanya. Penarikan karbondioksida akan lebih ekonomis₂ Udara jika kita bisa mengubahnya menjadi produk yang bermanfaat, Seperti bahan bakar jet. Tetapi proses semacam itu juga menghabiskan banyak energi, serta bahan mentah seperti hidrogen yang mengambil energi untuk membuatnya.

Tumbuhan dan sejumlah mikroba telah berhasil mengeluarkan karbon dioksida dari udara dan menggunakannya untuk menghasilkan segala jenis bahan kimia yang kompleks (dan berharga!). Tapi jalur yang mereka gunakan untuk memasukkan karbon dioksida₂ Mereka tidak terlalu efektif, jadi mereka tidak dapat memperbaiki cukup gas rumah kaca atau memasukkannya ke dalam produk yang cukup untuk menjadi sangat bermanfaat. Ini mendorong banyak orang untuk memeriksanya Rekayasa ulang enzim Ini penting untuk fotosintesis. Tetapi tim peneliti Eropa mengambil pendekatan yang sama sekali berbeda: merekayasa jalur biokimia yang sama sekali baru yang melibatkan karbon dioksida.₂ Dalam molekul penting untuk metabolisme dasar sel.

Ini terlihat bagus secara teori

Pada kesempatan langka di mana sebagian besar ahli biologi memikirkan jalur biokimia, energi hanyalah renungan. Sebagian besar sel memiliki cukup banyak untuk disimpan sehingga mereka dapat membakar pasokan energi mereka untuk mendorong jalur yang tidak mungkin untuk mendapatkan bahan kimia yang mereka inginkan. Tetapi menghilangkan karbon dari atmosfer adalah masalah yang sama sekali berbeda. Anda ingin ini terjadi sebagai bagian pusat metabolisme sel, bukan sebagai jalur di ekstremitas sehingga Anda mendapatkan banyak karbon. Dan Anda ingin ini terjadi dengan cara yang lebih efisien daripada yang sudah dimiliki sel opsi.

Melihat poin-poin ini, energi sangatlah penting. Jadi, beberapa ahli biokimia telah bekerja keras pada semua siklus reaksi di dalam dan di sekitar siklus yang biasanya melibatkan karbon dioksida dan melihat energinya, mencoba menemukan yang menggunakan energi paling sedikit untuk memutus ikatan kuat antara karbon dan oksigen. Hebatnya, tidak ada temuan terbaik dari para peneliti yang benar-benar muncul di sel apa pun yang kami lihat.

Bahan baku kimia yang diperlukan ada di sekitar, dan jalur lain sedang menggunakannya. Dan ada enzim yang melakukan hal-hal yang berhubungan. Tapi sejauh yang kami tahu, evolusi tidak repot-repot menyatukan potongan-potongan itu.

Jadi para peneliti memutuskan bahwa jika pengembangan tidak pada level pekerjaan, mereka harus mengambil alih.

Jalannya sendiri

Jadi, bagaimana Anda menggulung jalur biokimia Anda sendiri? Penentuan sebelumnya dari jalur yang tidak ada membuat pekerjaan yang dimasukkan ke dalam makalah baru jauh lebih mudah. Ini sebenarnya menandai awal dari bahan kimia yang umum di dalam sel dan di setiap langkah perantara. Apa yang harus dilakukan para peneliti adalah mengidentifikasi enzim yang dapat mengangkut bahan kimia dari satu langkah ke langkah berikutnya di jalur tersebut. Fokus pada “bisa” – ingat bahwa jalur tidak ada di alam, jadi tidak ada enzim spesifik yang terlibat dalam reaksi ini.

Jalannya sendiri agak pendek, dan hanya membutuhkan tiga langkah. Dalam kasus pertama, bahan kimia diploid yang umum (disebut glikolat) berikatan dengan kofaktor seluler yang membuatnya lebih reaktif. Dalam kasus kedua, glikolat aktif bereaksi dengan karbonat, yang pada dasarnya merupakan bentuk karbon dioksida yang terlarut dalam air. Kemudian faktor pendamping yang dihasilkan oleh molekul tiga karbon harus dipecah sebelum digunakan di tempat lain dalam metabolisme sel. Jadi para peneliti harus menemukan enzim untuk setiap langkah.

Untuk langkah pertama, ada banyak sekali enzim yang mengikat atau mentransfer katalis ke sesuatu dari satu molekul ke molekul lainnya. Para peneliti menguji 11 di antaranya (beberapa alami, beberapa telah direkayasa sebelumnya) untuk mencari yang bekerja dengan baik pada glikol. Mereka menemukan dua yang melakukan pekerjaan yang dapat diterima – dan anehnya, pekerjaan yang kurang berhasil ternyata lebih mudah untuk diperbaiki karena kami sudah tahu sesuatu tentang bagaimana mengaturnya.

Biasanya, salah satu asam amino pada protein dimodifikasi secara kimiawi untuk menghentikan aktivitas enzimatik. Jadi para peneliti mengubah asam amino ini sehingga tidak dapat dimodifikasi, dan untuk ukuran yang baik, mereka memproduksinya dalam suatu strain bakteri yang tidak dapat melakukan modifikasi. Ini meningkatkan kinerja enzim dengan faktor 30. Mereka juga melihat enzim terkait yang bekerja pada bahan kimia yang ukurannya sebanding dengan glikolat dan membuat perubahan yang akan membuka situs aktif enzim tempat reaksi berlangsung. Enzim ini memberikan dorongan 60 persen lagi.

Untuk mengetahui bahwa itu cukup baik, para peneliti pergi untuk membeli enzim lain untuk mengkatalisasi langkah kedua dalam jalur, untuk mengikat atom karbon baru. Mereka memutuskan untuk menguji sekelompok enzim yang mengkatalisis reaksi serupa menggunakan bahan kimia yang sedikit lebih besar dari glikolat. Mereka menemukan seseorang dengan aktivitas yang mereka gambarkan sebagai “sangat rendah tetapi dapat diukur”.

Untuk memberikan dorongan awal ini, peneliti memperoleh struktur enzim dan membuat beberapa perubahan yang akan meningkatkan kemampuannya untuk berinteraksi dengan glikol. Kemudian mereka melakukan mutasi acak, dan mengidentifikasi bentuk dengan tiga mutasi yang aktivitasnya 50 kali versi “sangat rendah tapi terukur”.

Ada banyak enzim yang membelah katalis dari molekul lain, sehingga mudah untuk diuji. Para peneliti menemukan satu yang bekerja tanpa banyak modifikasi, karena mengakhiri jalur produksi gliserol, molekul tiga karbon yang terikat erat dengan gliserol. Gliserida dapat digunakan oleh berbagai jalur di dalam sel, banyak di antaranya mengarah ke molekul yang lebih besar dan lebih kompleks.

Bagus, tapi tidak bagus

Dari perspektif dinamis, itu cukup keren. Jika kita membandingkan jalur alami yang digunakan oleh tanaman dengan jalur baru ini, terlihat sangat bagus dengan beberapa ukuran. Jalur ini hampir sama hemat energi sebagai salah satu jalur utama saat ini untuk mengekstraksi karbon dari karbon dioksida, dan sebagian besar reaksi akan berjalan maju, menghasilkan produk akhir yang diinginkan daripada mencernanya. Ini akan mengekstraksi karbon dua kali lebih banyak per siklus dan menggunakan energi 20 persen lebih sedikit untuk menstabilkan jumlah karbon yang setara. Dan tidak seperti enzim yang digunakan pada tumbuhan, enzim tidak akan berhenti ketika kadar oksigen meningkat.

Sebagai bonus tambahan, para peneliti menunjukkan bahwa itu juga bisa dimasukkan ke dalam jalur yang bisa menghilangkan polutan lingkungan yang digunakan untuk membuat plastik PET.

Tetapi para peneliti belum menguji jalur baru dalam suatu organisme. Semua tes dilakukan dalam larutan menggunakan bahan yang diturunkan dari bakteri, dan dalam skema besar, mereka tidak terlalu efektif. Jika Anda memiliki gram enzim yang dibutuhkan (yaitu A. Banyak Protein), itu hanya akan menghilangkan 1,3 miligram karbon dioksida per menit. Artinya, dibutuhkan waktu 13 jam bagi satu gram enzim untuk menarik satu gram penuh karbon dioksida dari atmosfer. Dan jalur tersebut harus terus menerus diisi ulang dengan energi untuk melanjutkan reaksi.

Dalam semua kasus ini, para peneliti menguji sistem secara ekstraseluler dalam larutan yang terbuat dari bahan yang berasal dari bakteri. Kami tidak tahu bagaimana jalur ini akan bekerja – atau apakah akan – jika dikembalikan ke dalam sel. Tapi ini akan menjadi langkah yang perlu jika kita ingin ini menjadi, seperti yang disarankan oleh penulis, “kunci untuk stimulasi biologis yang berkelanjutan dan bio-ekonomi nol karbon.” Keduanya karena makhluk hidup dapat mengambil gliserida dan membangunnya menjadi bahan kimia yang lebih besar yang benar-benar kita inginkan dan karena memaksa organisme untuk bergantung padanya untuk mendapatkan karbon adalah cara paling pasti untuk memungkinkan evolusi membuat jalur ini bekerja jauh lebih efisien daripada itu. Dia punya sebelumnya.

Tentu saja, tidak ada alasan untuk percaya bahwa ini tidak akan mungkin pada akhirnya. Penting untuk mengakui pentingnya pekerjaan ini. Sementara kelompok lain menemukan bagaimana meningkatkan enzim untuk melakukan fungsi yang sama sekali baru, kelompok ini mengambil keseluruhan jalur yang hanya ada dalam perhitungan dan menjadikannya fakta biologis, yang mengarah pada perubahan besar dua enzim dalam proses tersebut. Ini mengisyaratkan masa depan di mana kita bisa membuat biologi melakukan lebih banyak daripada yang mungkin terjadi sendirian.

Stimulasi alamDOI: 2021. 10.1038 / s41929-020-00557-y (Tentang DOI).