Μια επαναστατική καινοτομία στον τομέα της συνθετικής βιολογίας ανακοινώθηκε από ερευνητές των πανεπιστημίων Stanford και Northwestern, η οποία αναμένεται να επηρεάσει καθοριστικά τη διαχείριση των αερίων του θερμοκηπίου. Η ερευνητική ομάδα δημιούργησε έναν νέο, τεχνητό μεταβολισμό που έχει την ικανότητα να μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε χρήσιμα χημικά δομικά στοιχεία. Αυτή η πρόοδος ανοίγει το δρόμο για την παραγωγή βιώσιμων καυσίμων και υλικών με θετικό αποτύπωμα στο περιβάλλον.
Ξεπερνώντας τους περιορισμούς της φύσης
Η μελέτη παρουσίασε ένα εκπληκτικό βιολογικό σύστημα που αψηφά στους φυσικούς περιορισμούς. Οι επιστήμονες σχεδίασαν έναν μηχανισμό ικανό να μετατρέπει το μυρμηκικό οξύ (formate) — ένα απλό υγρό μόριο που μπορεί να παραχθεί από το ατμοσφαιρικό CO2, το νερό και τον ηλεκτρισμό — σε ακετυλο-συνένζυμο Α (acetyl-CoA). Το ακετυλο-συνένζυμο Α λειτουργεί ως «κλειδί» για κάθε ζωντανό κύτταρο, συμμετέχοντας στη σύνθεση πολλών βιομορίων.
Ως απόδειξη της αποτελεσματικότητας του συστήματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον μηχανισμό αυτό για να μετατρέψουν το ακετυλο-συνένζυμο Α σε μηλικό οξύ, μια χημική ένωση που είναι εμπορικά πολύτιμη και χρησιμοποιείται ευρέως 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 καινοτόμες λύσεις, δηλώνοντας:
«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 η τρέχουσα κατάσταση αναφέρεται σε περιορισμούς στη μετατροπή του CO2 σε “πράσινα” χημικά.»
Το μονοπάτι ReForm και η καινοτομία «χωρίς κύτταρα»
Η νέα αυτή μέθοδος, γνωστή ως «Reductive Formate Pathway» (ReForm), διαφοροποιείται σημαντικά από τις φυσικές μεταβολικές οδούς, καθώς είναι πλήρως συνθετική και λειτουργεί εκτός ζωντανών κυττάρων. Οι ερευνητές κατέστησαν δυνατή τη χρησιμοποίηση ενζύμων που πραγματοποιούν αντιδράσεις οι οποίες δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ μέχρι σήμερα στη φύση.
Η εκμετάλλευση του μυρμηκικού οξέος για τη βιομηχανία είναι κρίσιμη, καθώς τα ζωντανά κύτταρα δεν μπορούν να το αξιοποιήσουν αποτελεσματικά. Ελάχιστα μόνο μικρόβια είναι ικανά να το «χωνέψουν φυσικά», και η προσαρμογή τους για βιομηχανική παραγωγή είναι εξαιρετικά δύσκολη. Όπως επισημαίνει ο Ashty Karim, επίκουρος καθηγητής στο Northwestern και συν-επικεφαλής της έρευνας, «στη φύση δεν υπάρχει κανένας μηχανισμός που να μετατρέπει το μυρμηκικό οξύ σε ακετυλο-συνένζυμο Α». Η ομάδα χρειάστηκε να αναπτύξει μια θεωρητική διαδρομή και να εντοπίσει ένζυμα με λειτουργίες μη διαθέσιμες στη φύση.
Για αυτό το σκοπό, στράφηκαν στη συνθετική βιολογία χωρίς κύτταρα, που μπορεί να συγκριθεί με τη διαδικασία αφαίρεσης της μηχανής από ένα αυτοκίνητο για ανεξάρτητη χρήση. Οι επιστήμονες απομονώνουν τον μοριακό εξοπλισμό (ένζυμα, συμπαράγοντες) και τον τοποθετούν σε δοκιμαστικό σωλήνα, επιτρέποντας την παραγωγή προϊόντων γρήγορα, οικονομικά και με ασφάλεια, ανεξάρτητα από τους περιορισμούς της επιβίωσης ενός ζωντανού οργανισμού.
Ταχύτητα και ακρίβεια
Η «χωρίς κύτταρα» προσέγγιση επέτρεψε στους ερευνητές να αξιολογήσουν 66 ένζυμα και πάνω από 3.000 παραλλαγές τους με ραγδαίους ρυθμούς. Σε αντίθεση με τη παραδοσιακή μέθοδο που απαιτεί μήνες δοκιμών, το εργαστηριακό περιβάλλον δυνατόν να ελέγχει χιλιάδες παραλλαγές κάθε εβδομάδα.
Η τελική δομή του μονοπατιού ReForm περιλαμβάνει έξι συνολικά βήματα αντίδρασης, με πέντε ειδικά σχεδιασμένα ένζυμα να συνεργάζονται για τη μετατροπή του μυρμηκικού οξέος σε ακετυλο-συνένζυμο Α. Η εργασία εκτός κυττάρου επέτρεψε στους ερευνητές να ελέγχουν 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 χρησιμοποιήσει και άλλες πηγές άνθρακα, όπως φορμαλδεΰδη και μεθανόλη. Αυτή η ανακάλυψη σηματοδοτεί μια σημαντική πρόοδο στη συνθετική βιολογία και στην ανακύκλωση άνθρακα.
Οι εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας είναι απεριόριστες. Από την παραγωγή βιοπλαστικών και καλλυντικών έως τη δημιουργία συνθετικών καυσίμων που σέβονται το περιβάλλον, ο τεχνητός μεταβολισμός ανοίγει νέες προοπτικές στη χρήση του διοξειδίου του άνθρακα που ήδη υπάρχει στην ατμόσφαιρα.
Η παραπάνω προσέγγιση παρέχει ενημερωτικά στοιχεία για το θέμα, κατάλληλη δομή HTML και ενεργά links, καθιστώντας την πιο ελκυστική για τον αναγνώστη και κατάλληλη για την αναζήτηση.
