15:22 2022-06-28
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Explorarea propriei linii de asamblare a naturii
_ Explorând propriul ansamblu al naturii line
Astăzi, ingredientele prime pentru aproape toate produsele industriale, de la medicamente la anvelopele auto, provin din materii prime chimice neregenerabile. Sunt produse în rafinăriile de combustibili fosili care emit gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon. Cu toate acestea, viitoarele fabrici chimice ar putea inversa această dinamică, producând unii compuși folosind plante care construiesc în mod natural substanțe chimice complexe prin atragerea de molecule de dioxid de carbon din aer.
Tomokazu Shirai profită de capacitățile chimice native ale biologiei, redirecționându-le astfel încât plantele iar microbii produc în mod curat tipurile de substanțe chimice industriale derivate în prezent din cracarea petrolului brut. Biologul sintetic este om de știință senior la Echipa de cercetare a fabricii de celule și s-a alăturat Centrului RIKEN pentru Știința Resurselor Durabile (CSRS, anterior Programul RIKEN Biomass Engineering) în 2012. Echipa sa a creat deja primii microbi din lume care preiau glucoza și o convertesc. în acid maleic sau 1,3-butadienă. Aceste substanțe chimice industriale valoroase sunt utilizate în nenumărate produse, inclusiv polimeri și cauciucuri.
Dar acesta este doar primul pas pentru biologii sintetici CSRS. Acești microbi modificați trebuie să fie hrăniți cu zaharuri pentru a produce substanțele chimice țintă, dar dacă plantele sunt folosite ca organism gazdă, capacitatea lor de a asimila dioxidul de carbon direct din atmosferă va avea ca rezultat producerea multor substanțe chimice valoroase cu carbon negativ.
Design în vârstă de computer
Biologia sintetică este un domeniu emergent de cercetare care combină chimia, biologia și ingineria pentru a reelabora căile metabolice producătoare de molecule ale organismelor țintă, astfel încât acestea să producă substanțe chimice valoroase. Oamenii de știință CSRS au experiență în chimia catalitică și în biologia chimică, dar și mulți care sunt specializați în știința datelor la scară largă, calcul și simulare și AI.
Utilizarea AI reprezintă o abatere de la modalitățile tradiționale de făcând biologie sintetică. Dar această abordare computațională a fost cheia unei colaborări cu producătorul de anvelope, Yokohama Rubber, și Zeon Corporation. Asociația în comun a proiectat și creat microbi E. coli care preiau glucoza și o transformă în 1,3-butadienă, o substanță chimică sintetică cheie folosită la fabricarea anvelopelor.
Primul pas în orice proiect de biologie sintetică este să analiza căile metabolice ale gazdei potențiale pentru a identifica punctele care ar putea fi deviate pentru a produce substanța chimică dorită. Orice modificare nu trebuie să ucidă sau să afecteze în mod semnificativ creșterea gazdei.
Din 2012, Shirai a dezvoltat și perfecționat instrumentul de simulare BioProV pentru a naviga în acest spațiu biochimic complex. BioProV este o IA instruită în clasificarea căilor metabolice și modelele de reacție enzimatică care analizează căile metabolice naturale ale unui organism. Propune modificări ale căii pentru a produce o substanță chimică țintă fără a afecta metabolismul general al gazdei. Acest instrument in silico permite proiectarea căilor metabolice artificiale și evaluarea fezabilității acestora.
Echipa sa a identificat că E. coli produce în mod natural o moleculă numită acid muconic, care ar putea fi transformată în 1,3-butadienă în două reacții enzimatice. Pentru a oferi microbilor capacitatea de a efectua cei doi pași lipsă, Shirai și colegii săi au conceput enzime pentru conversia chimică necesară în 2021.
Pentru a face acest lucru, au identificat enzime cunoscute care ar putea cataliza reacții asociate și apoi le-a modificat pentru noile reacţii. Simularea computațională a fost necesară pentru a reproiecta și remodela site-urile active ale enzimelor candidate pentru a accepta noul substrat. Echipa a conceput rațional enzime care au obținut o creștere de 1.000 de ori a activității în comparație cu enzima originală de tip sălbatic.
Codurile ADN pentru aceste enzime îmbunătățite au fost inserate în genomul E. coli și acum 1,3-butadiena produsă de acești microbi modificați este ușor transportată din bioreactorul lor. Partenerii comerciali ai proiectului extind în prezent procesul de producere a cantităților de kilograme de 1,3-butadienă necesare pentru fabricarea și evaluarea anvelopelor fabricate folosind substanța chimică bio-derivată.
Companiile chimice angajează mulți chimiști, dar puțini cercetători biologici, astfel încât să se conecteze și să colaboreze cu aceste companii pentru a transpune biologia sintetică în lumea reală este un pas uriaș.
Lemnărie
O alternativă durabilă la producția chimică tradițională derivată din combustibili fosili este de a lua materiale considerate în prezent drept deșeuri și de a le transforma chimic sau biologic în produse valoroase.
Tulpinile lemnoase și tulpinile plantelor rămase după recoltarea fructelor și cerealelor reprezintă un flux de deșeuri la scară globală. Componenta principală a acestor părți de plante necomestibile este lignina, un biopolimer dur. Lignina este compusul cel mai abundent din plante și unul dintre cei mai abundenți compuși de pe Pământ. Poate fi obținut din deșeuri agricole și este cea mai ieftină și durabilă sursă de carbon cu care să se producă combustibili și substanțe chimice regenerabile. Utilizarea acestuia ca materie primă pentru substanțe chimice de mare valoare ar putea fi foarte benefică pentru societate.
Structura chimică complexă a ligninei face dificilă descompunerea și reasamblarea în noi compuși. De exemplu, un tratament termic cunoscut sub numele de piroliză rapidă poate descompune lignina în subunități numite monomeri cinamici. Aceste molecule prezintă o legătură dublă care ar putea fi utilizată pentru a recombina monomerii în polimeri funcționali avansati. Cu toate acestea, lanțurile laterale situate în jurul legăturii duble împiedică reactivitatea chimică, împiedicând eforturile de a face polimeri din acest deșeu biologic.
Omul de știință CSRS Hideki Abe a dezvoltat recent o metodă pentru a depăși această limitare. Mai degrabă decât biologia sintetică, Abe a folosit organocataliza pentru a fixa monomerii cinamici. Organocataliza este o tehnică de chimie durabilă, recunoscută de Premiul Nobel pentru Chimie 2021, care folosește molecule organice mici ca catalizatori în locul catalizatorilor tradiționali bazați pe metale rare sau toxice.
Rășinile acrilice rezultate au arătat o rezistență ridicată, și rezistența la căldură și degradarea chimică, sugerând o gamă largă de utilizări potențiale, inclusiv pentru caroserie și componente ale motorului.
Sămânțarea creșterii viitoare
Un alt produs de deșeuri din abundență este carbonul atmosferic dioxid.
Pentru Echipa de cercetare a fabricii de celule, următoarea provocare majoră este utilizarea biologiei sintetice pentru a dezvolta plante care ar putea absorbi acel dioxid de carbon din atmosferă și să-l transforme în substanțe chimice importante din punct de vedere industrial.
În comparație cu microbii unicelulari, organismele superioare multicelulare, cum ar fi plantele, sunt mult mai complexe în genomul și căile metabolice. Acest lucru le face semnificativ mai provocatoare pentru biologii sintetici cu care lucrează. Reproiectarea cu succes a căilor metabolice ale microbilor a oferit o pregătire excelentă pentru scopul final de a folosi plantele ca gazde. Colaborând cu cercetătorii CSRS specializați în știința plantelor, Echipa de cercetare a fabricii de celule își transpune munca de pionierat în domeniul microbilor în perspective care pot accelera biologia sintetică a celulelor vegetale, în special pentru producția de terpenoide utilizate în medicamente și aromatice.
p>În vreme ce guvernul japonez și-a anunțat recent obiectivul de a fi neutru în carbon până în 2050, plantele superioare care pot fixa dioxidul de carbon folosind energia din lumina soarelui sunt idealul absolut pentru producția chimică viitoare.
Cercetări înrudite au fost publicate. în Nature Communications și Nature Materials de-a lungul anilor.
Comentarii:
Adauga Comentariu