El formiato puede considerarse la columna vertebral de una bioeconomía neutra en carbono, producido a partir de CO2 mediante métodos (electro)químicos y convertido en productos de valor añadido mediante cascadas enzimáticas o microorganismos modificados. Un paso importante para ampliar la asimilación del formiato sintético es su compleja reducción termodinámica del formaldehído, que en la imagen se aprecia como un cambio de color amarillo. Crédito: Instituto de Microbiología Terrestre Max Planck/Geisel.
Científicos del Instituto Max Planck han creado una vía metabólica sintética que convierte el dióxido de carbono en formaldehído con la ayuda del ácido fórmico, ofreciendo una forma neutra en carbono de producir materiales valiosos.
Las nuevas vías anabólicas para la fijación del dióxido de carbono no solo ayudan a reducir los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, sino que también pueden sustituir la producción química tradicional de fármacos e ingredientes activos por procesos biológicos neutros en carbono. Una nueva investigación demuestra un proceso mediante el cual el ácido fórmico puede utilizarse para convertir el dióxido de carbono en un material valioso para la industria bioquímica.
Dado el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, la captura de carbono o dióxido de carbono de las grandes fuentes de emisión es un problema acuciante. En la naturaleza, la asimilación del dióxido de carbono se ha producido durante millones de años, pero su capacidad dista mucho de ser suficiente para compensar las emisiones antropogénicas.
Investigadores dirigidos por Tobias Erb, del Instituto de Microbiología Terrestre Max Planck, utilizan herramientas naturales para desarrollar nuevos métodos de fijación de dióxido de carbono. Han logrado desarrollar una vía metabólica artificial que produce formaldehído altamente reactivo a partir de ácido fórmico, un posible intermediario en la fotosíntesis artificial. El formaldehído puede entrar directamente en diversas vías metabólicas para formar otras sustancias valiosas sin efectos tóxicos. Al igual que en un proceso natural, se requieren dos ingredientes principales: energía y carbono. El primero puede obtenerse no solo mediante la luz solar directa, sino también mediante electricidad, por ejemplo, mediante módulos solares.
En la cadena de valor, las fuentes de carbono son variables. El dióxido de carbono no es la única opción; nos referimos a todos los compuestos de carbono individuales (componentes básicos del carbono C1): monóxido de carbono, ácido fórmico, formaldehído, metanol y metano. Sin embargo, casi todas estas sustancias son altamente tóxicas, tanto para los organismos vivos (monóxido de carbono, formaldehído, metanol) como para el planeta (metano como gas de efecto invernadero). Solo después de que el ácido fórmico se haya neutralizado a su formato básico, muchos microorganismos toleran altas concentraciones de este.
“El ácido fórmico es una fuente de carbono muy prometedora”, enfatiza Maren Nattermann, primera autora del estudio. “Pero convertirlo en formaldehído in vitro requiere un alto consumo de energía”. Esto se debe a que el formiato, la sal del formiato, no se convierte fácilmente en formaldehído. “Existe una importante barrera química entre estas dos moléculas, y antes de poder llevar a cabo una reacción real, debemos superarla con la ayuda de energía bioquímica: ATP”.
El objetivo de los investigadores era encontrar una forma más económica. Al fin y al cabo, cuanta menos energía se requiera para introducir carbono en el metabolismo, más energía se puede utilizar para estimular el crecimiento o la producción. Pero en la naturaleza no existe tal forma. «El descubrimiento de las llamadas enzimas híbridas con múltiples funciones requirió cierta creatividad», afirma Tobias Erb. «Sin embargo, el descubrimiento de enzimas candidatas es solo el principio. Hablamos de reacciones que pueden contabilizarse juntas porque son muy lentas; en algunos casos, hay menos de una reacción por segundo por enzima. Las reacciones naturales pueden avanzar a una velocidad mil veces superior». Aquí es donde entra en juego la bioquímica sintética, afirma Maren Nattermann: «Si conoces la estructura y el mecanismo de una enzima, sabes dónde intervenir. Ha sido de gran beneficio».
La optimización enzimática implica varios enfoques: intercambio especializado de bloques de construcción, generación de mutaciones aleatorias y selección de capacidad. «Tanto el formiato como el formaldehído son muy adecuados porque pueden penetrar las paredes celulares. Podemos añadir formiato al medio de cultivo celular, lo que produce una enzima que convierte el formaldehído resultante en un colorante amarillo no tóxico después de unas horas», explicó Maren. Nattermann explicó.
Resultados en tan poco tiempo no habrían sido posibles sin el uso de métodos de alto rendimiento. Para ello, los investigadores colaboraron con su socio industrial Festo en Esslingen, Alemania. «Tras unas 4000 variaciones, cuadruplicamos nuestro rendimiento», afirma Maren Nattermann. «De este modo, hemos sentado las bases para el crecimiento del microorganismo modelo E. coli, la herramienta microbiana fundamental de la biotecnología, en ácido fórmico. Sin embargo, por el momento, nuestras células solo pueden producir formaldehído y no pueden transformarse más».
En colaboración con su colaborador Sebastian Wink, del Instituto de Fisiología Molecular de Plantas, los investigadores del Instituto Max Planck están desarrollando una cepa capaz de absorber intermediarios e introducirlos en el metabolismo central. Simultáneamente, el equipo investiga la conversión electroquímica de dióxido de carbono en ácido fórmico con un grupo de trabajo del Instituto de Conversión de Energía Química del Instituto Max Planck, bajo la dirección de Walter Leitner. El objetivo a largo plazo es una plataforma universal que abarque desde el dióxido de carbono producido mediante procesos electrobioquímicos hasta productos como la insulina o el biodiésel.
Referencia: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Desarrollo de una nueva cascada para la conversión de formato dependiente de fosfato a formaldehído in vitro e in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez y Tobias J. Erb, 9 de mayo de 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
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