Ikke kun brød og øl:Mikrober kan fermentere kuldioxid for også at lave brændstof

Bageren gærer dejen til et godt hævet brød. Bryggere fermenterer hvede og byg for et glat, maltet glas øl. Og som naturens fremmeste bagere og bryggere kan nogle mikrober endnu mere. Visse arter af bakterier fermenterer kuldioxid (CO₂ ) gas til at lave deres egne næringsstoffer efter eget valg, som kan udnyttes til at hjælpe med at give energi til vores verden.

Denne bemærkelsesværdige evne—fermentering af CO₂ til kemisk energi – går ikke tabt for forskere, der studerer de subtile og komplekse kemiske reaktioner i bakterier.

Blandt dem er National Renewable Energy Laboratory (NREL) videnskabsmand Wei Xiong, der sagde, at gasgærende bakterier tilbyder lektioner om at vende affaldsgasser som CO₂ til bæredygtige brændstoffer.

"CO₂ fjernelse og konvertering er af verdensomspændende interesse som CO₂ er den vigtigste varmefangende (drivhus) gas i atmosfæren. Veje til CO₂ fiksering er et kernepunkt," forklarede Xiong. "Vi har en særlig interesse i at designe ny CO₂ fikseringsveje i bakterier for at hjælpe dem med at syntetisere vigtige biobrændstofprækursorer, for eksempel acetyl-CoA."

Acetyl-CoA er hovedingrediensen til fremstilling af flere brændstofkemikalier, herunder fedtsyrer, butanol og isopropanol. Og som beskrevet detaljeret i et papir offentliggjort i Nature Synthesis , Xiong og hans kolleger har vist, hvordan man kan forbedre produktionen af ​​brændstofprecursoren ved hjælp af en ny vej i gas-fermenterende bakterier.

Ved at gøre det lysner de muligheden for at bruge biologiske metoder til at opfange og omdanne CO₂ i industriel skala.

Simpelt kulstofregnskab:C1 + C1 =C2

Naturligvis følger gasgæring i bakterier en lineær række af reaktioner, kendt af videnskabsmænd som Wood-Ljungdahl-vejen, opkaldt efter professorerne Harland G. Wood og Lars G. Ljungdahl, som opdagede den i 1980'erne. Enkelt sagt fjerner enzymer CO₂ af sit kulstof ved hjælp af den elektriske energi fra nærliggende brint- eller kuliltegas. De binder derefter to af disse et-carbonatomer (C1) på et større molekyle, der allerede er til stede i bakterierne, kaldet coenzym A (CoA). Ved at fastgøre to kulstofhåndtag (C2) til dette hjælpemolekyle bliver de lettere tilgængelige for andre reaktioner.

Det endelige resultat? Acetyl-CoA, et mere energi- og kulstoftæt molekyle, der understøtter bakteriernes vækst – og en praktisk forløber til fremstilling af værdifulde, klimavenlige biobrændstoffer.

På trods af sin kloghed er Wood-Ljungdahl-stien i sig selv måske ikke nok til industriel brug. Og dens tilsyneladende simple matematik (C1 + C1 =C2) er konsekvensen af ​​et svimlende antal kemiske reaktioner.

"At udvikle denne vej for at forbedre effektiviteten er udfordrende på grund af enzymernes kompleksitet," forklarede Xiong.

For at undgå at forbedre Wood-Ljungdahl-vejen direkte, satte forskerne sig for at konceptualisere en helt ny vej til fremstilling af acetyl-CoA. Ved at bruge en NREL-udviklet computermodel kaldet PathParser – og avancerede genetiske værktøjer – opfandt holdet en ny CO₂ -fikseringsvej i en art af gasgærende bakterier kaldet Clostridium ljungdahlii.

I sidste ende virker regnestykket det samme:C1 + C1 =C2.

Men for at nå dertil inkorporerer den et par parallelle reaktioner - en kulfikserende cykel med to hjul, der arbejder sammen for at opfange CO₂ , transformer den ved hjælp af en række kemiske gear, og omdiriger den for at drive acetyl-CoA-generering fremad (illustreret i figuren ovenfor). Hvis den tilsættes til gasgærende bakterier, kan denne vej supplere Wood-Ljungdahl-vejen for at give acetyl-CoA mere effektivt.

Kan vi gære os frem til kulstofneutralitet?

Der er ingen mangel på affaldsgasser i dag og sandsynligvis langt ud i fremtiden. Millioner af tons CO₂ frigives hvert år af den tunge industri - et biprodukt af raffinering af biobrændstoffer, fremstilling af stål eller blanding af beton. Forskere udforsker teknologier til indfangning og lagring - endnu bedre ved at bruge - CO₂ længe før det nogensinde når atmosfæren.

"I forbindelse med global opvarmning og klimaændringer søger forskere nye løsninger fra mikrobiel metabolisme til omdannelse af CO₂ til brændstoffer og kemikalier," sagde Xiong. "Gasgærende bakterier fikserer faktisk CO₂ og repræsenterer en CO2-negativ måde at opfylde vores energi- og miljøkrav på."

Hvem er bedre at lære af end gasgærende bakterier, der har fikseret CO₂ med lethed i millioner af år? + Udforsk yderligere

Nyopdaget metabolisk vej bruger enkelte kulstofgasser som råmateriale