Udforsker naturens eget samlebånd

I dag kommer råingredienserne til stort set alle industriprodukter, lige fra medicin til bildæk, fra ikke-fornybare kemiske råvarer. De produceres i fossile brændselsraffinaderier, der udleder drivhusgasser, såsom kuldioxid. Fremtidige kemiske fabrikker kan imidlertid invertere denne dynamik og fremstille nogle forbindelser ved hjælp af planter, der naturligt konstruerer komplekse kemikalier ved at trække kuldioxidmolekyler fra luften.

Tomokazu Shirai udnytter biologiens oprindelige kemiske egenskaber og omdirigerer dem, så planter og mikrober rent producerer den slags industrielle kemikalier, der i øjeblikket stammer fra krakning af råolie. Den syntetiske biolog er seniorforsker ved Cell Factory Research Team og sluttede sig til RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS, tidligere RIKEN Biomass Engineering Program) i 2012. Hans team har allerede skabt verdens første mikrober, der tager glukose og omdanner det til maleinsyre eller 1,3-butadien. Disse værdifulde industrikemikalier bruges i utallige produkter, herunder polymerer og gummier.

Men dette er kun det første skridt for CSRS syntetiske biologer. Disse konstruerede mikrober skal fodres med sukker for at producere målkemikalierne, men hvis planter bruges som værtsorganisme, vil deres evne til at assimilere kuldioxid direkte fra atmosfæren resultere i en kulstof-negativ produktion af mange værdifulde kemikalier.

Computer-ældet design

Syntetisk biologi er et spirende forskningsområde, der kombinerer kemi, biologi og teknik for at omarbejde de molekyleproducerende metaboliske veje for målorganismer, så de producerer værdifulde kemikalier. CSRS-forskere har ekspertise i katalytisk kemi og i kemisk biologi, men også mange, der specialiserer sig i storskala datavidenskab, beregning og simulering og AI.

Brugen af ​​kunstig intelligens repræsenterer en afvigelse fra de traditionelle måder at lave syntetisk biologi på. Men denne beregningsmæssige tilgang har været nøglen til et samarbejde med dækproducenten Yokohama Rubber og Zeon Corporation. Joint venturet har designet og skabt E. coli-mikrober, der tager glukose og omdanner det til 1,3-butadien, et nøglekemisk kemikalie, der bruges til at fremstille dæk.

Det første trin i ethvert syntetisk biologiprojekt er at analysere den potentielle værts metaboliske veje for at identificere punkter, der kan omdirigeres for at producere det ønskede kemikalie. Eventuelle modifikationer må ikke dræbe eller væsentligt forringe værtens vækst.

Siden 2012 har Shirai udviklet og forfinet simuleringsværktøjet BioProV til at navigere i dette komplekse biokemiske rum. BioProV er en AI trænet i klassificering af metaboliske veje og enzymreaktionsmønstre, der analyserer en organismes naturlige metaboliske veje. Den foreslår pathway-modifikationer for at producere et målkemikalie uden at påvirke værtens samlede metabolisme. Dette in silico-værktøj muliggør design af kunstige metaboliske veje og evaluering af deres gennemførlighed.

Hans team identificerede, at E. coli naturligt producerer et molekyle kaldet muconsyre, som kunne omdannes til 1,3-butadien i to enzymatiske reaktioner. For at give mikroben kapacitet til at udføre de to manglende trin, konstruerede Shirai og hans kolleger enzymer til den nødvendige kemiske omdannelse i 2021.

For at gøre dette identificerede de kendte enzymer, der kunne katalysere relaterede reaktioner, og modificerede dem derefter til de nye reaktioner. Beregningssimulering var nødvendig for at redesigne og ombygge kandidatenzymes aktive steder for at acceptere det nye substrat. Holdet designede rationelt enzymer, der opnåede en 1.000-fold stigning i aktivitet sammenlignet med det originale vildtype-enzym.

DNA-koderne for disse forbedrede enzymer blev indsat i E. coli-genomet, og nu kan 1,3-butadien produceret af disse konstruerede mikrober let ledes fra deres bioreaktor. Projektets kommercielle partnere er i øjeblikket ved at opskalere processen for at producere de kilogram mængder af 1,3-butadien, der er nødvendige for at fremstille og evaluere dæk fremstillet ved hjælp af det biologisk afledte kemikalie.

Kemiske virksomheder beskæftiger mange kemikere, men få biologiske forskere, så at forbinde og samarbejde med disse virksomheder for at oversætte syntetisk biologi til den virkelige verden er et stort skridt.

Træværk

Et bæredygtigt alternativ til traditionel kemisk produktion af fossilt brændstof er at tage materialer, der i øjeblikket betragtes som affald, og kemisk eller biologisk omdanne dem til værdifulde produkter.

De træagtige stængler og stilke af planter, der er tilbage efter høsten af ​​frugter og korn, er en global affaldsstrøm. Hovedbestanddelen af ​​disse uspiselige plantedele er lignin, en sej biopolymer. Lignin er den mest udbredte forbindelse fra planter og en af ​​de mest udbredte forbindelser på jorden. Det kan hentes fra landbrugsaffald og er den billigste og mest bæredygtige kilde til kulstof til fremstilling af vedvarende brændstoffer og kemikalier. At bruge det som råmateriale til kemikalier af høj værdi kunne være meget gavnligt for samfundet.

Lignins komplekse kemiske struktur gør det svært at nedbryde og samle til nye forbindelser. For eksempel kan en varmebehandling kendt som hurtig pyrolyse nedbryde lignin i underenheder kaldet kanelmonomerer. Disse molekyler har en dobbeltbinding, der potentielt kan bruges til at rekombinere monomererne til avancerede funktionelle polymerer. Sidekæder placeret omkring dobbeltbindingen hæmmer imidlertid kemisk reaktivitet, hvilket hindrer bestræbelserne på at fremstille polymerer fra dette bioaffald.

CSRS-forsker Hideki Abe udviklede for nylig en metode til at overvinde denne begrænsning. I stedet for syntetisk biologi brugte Abe organokatalyse til at klippe kanelmonomerer sammen. Organokatalyse er en bæredygtig kemiteknik, anerkendt af Nobelprisen i kemi 2021, som bruger små organiske molekyler som katalysatorer i stedet for traditionelle katalysatorer baseret på sjældne eller giftige metaller.

De resulterende akrylharpikser viste høj styrke og modstandsdygtighed over for varme og kemisk nedbrydning, hvilket tyder på en bred vifte af potentielle anvendelser, herunder til bilkarosseri og motorkomponenter.

Sådan fremtidig vækst

Et andet affaldsprodukt i rigelige mængder er atmosfærisk kuldioxid.

For Cell Factory Research Team er den næste store udfordring at bruge syntetisk biologi til at udvikle planter, der kan absorbere denne kuldioxid fra atmosfæren og omdanne den til industrielt vigtige kemikalier.

Sammenlignet med enkeltcellede mikrober er flercellede højere organismer såsom planter langt mere komplekse i deres genom og metaboliske veje. Dette gør dem væsentligt mere udfordrende for syntetiske biologer, der arbejder med. Succesfuld omstrukturering af mikrobers metaboliske veje har givet fremragende træning mod det ultimative mål at bruge planter som værter. Ved at samarbejde med CSRS-forskere med speciale i plantevidenskab omsætter Cell Factory Research Team sit banebrydende arbejde inden for mikrober til indsigt, der kan accelerere plantecellesyntetisk biologi, især til produktionen af ​​de terpenoider, der bruges i medicin og aromater.

Da den japanske regering for nylig har annonceret sit mål om at være CO2-neutral i 2050, er højere anlæg, der kan fikse kuldioxid ved hjælp af energien fra sollys, det absolutte ideal for fremtidig kemisk produktion.

Relateret forskning er blevet offentliggjort i Nature Communications og Naturmaterialer i årenes løb. + Udforsk yderligere

Mikrober udviklet til at omdanne sukker til et kemikalie, der findes i dæk