ฟอร์เมตสามารถมองได้ว่าเป็นแกนหลักของเศรษฐกิจชีวภาพที่เป็นกลางทางคาร์บอน โดยผลิตจาก CO2 ด้วยวิธีการทางเคมี (และไฟฟ้าเคมี) และแปลงเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่มโดยใช้กระบวนการเอนไซม์หรือจุลินทรีย์ดัดแปลงพันธุกรรม ขั้นตอนสำคัญในการขยายการนำฟอร์เมตสังเคราะห์ไปใช้คือการลดฟอร์มาลดีไฮด์ด้วยฟอร์เมต ซึ่งเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนทางอุณหพลศาสตร์ และปรากฏให้เห็นเป็นการเปลี่ยนสีเป็นสีเหลือง เครดิต: สถาบันจุลชีววิทยาภาคพื้นดิน แม็กซ์ พลังค์/ไกเซล
นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันแม็กซ์พลังค์ได้สร้างกระบวนการเผาผลาญสังเคราะห์ที่เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นฟอร์มาลดีไฮด์โดยใช้กรดฟอร์มิก ซึ่งเป็นวิธีการผลิตวัสดุที่มีมูลค่าสูงโดยไม่ปล่อยคาร์บอนสู่บรรยากาศ
กระบวนการสร้างสารอินทรีย์ใหม่สำหรับการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ไม่เพียงแต่ช่วยลดระดับคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศเท่านั้น แต่ยังสามารถทดแทนการผลิตยาและสารออกฤทธิ์ทางเคมีแบบดั้งเดิมด้วยกระบวนการทางชีวภาพที่เป็นกลางทางคาร์บอนได้อีกด้วย งานวิจัยใหม่แสดงให้เห็นถึงกระบวนการที่สามารถใช้กรดฟอร์มิกในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นสารที่มีคุณค่าสำหรับอุตสาหกรรมชีวเคมี
เนื่องจากปริมาณการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเพิ่มสูงขึ้น การกักเก็บคาร์บอนหรือการกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์จากแหล่งปล่อยมลพิษขนาดใหญ่จึงเป็นประเด็นเร่งด่วน ในธรรมชาติ กระบวนการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นมานานหลายล้านปีแล้ว แต่พลังของกระบวนการนี้ยังไม่เพียงพอที่จะชดเชยการปล่อยมลพิษจากกิจกรรมของมนุษย์
นักวิจัยภายใต้การนำของโทเบียส เอิร์บ จากสถาบันจุลชีววิทยาภาคพื้นดิน แม็กซ์ พลังค์ ใช้เครื่องมือทางธรรมชาติเพื่อพัฒนากระบวนการใหม่ในการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ พวกเขาประสบความสำเร็จในการพัฒนากระบวนการเผาผลาญเทียมที่ผลิตฟอร์มาลดีไฮด์ที่มีปฏิกิริยาสูงจากกรดฟอร์มิก ซึ่งเป็นสารตัวกลางที่เป็นไปได้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงเทียม ฟอร์มาลดีไฮด์สามารถเข้าสู่กระบวนการเผาผลาญหลายอย่างโดยตรงเพื่อสร้างสารที่มีคุณค่าอื่นๆ โดยไม่มีผลกระทบที่เป็นพิษ เช่นเดียวกับกระบวนการทางธรรมชาติ ส่วนประกอบหลักสองอย่างที่จำเป็นคือ พลังงานและคาร์บอน พลังงานสามารถจัดหาได้ไม่เพียงแต่จากแสงแดดโดยตรงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงไฟฟ้าด้วย เช่น แผงโซลาร์เซลล์
ในห่วงโซ่คุณค่า แหล่งที่มาของคาร์บอนมีความหลากหลาย คาร์บอนไดออกไซด์ไม่ใช่ตัวเลือกเดียว เรากำลังพูดถึงสารประกอบคาร์บอนแต่ละชนิด (หน่วยสร้าง C1) ได้แก่ คาร์บอนมอนอกไซด์ กรดฟอร์มิก ฟอร์มาลดีไฮด์ เมทานอล และมีเทน อย่างไรก็ตาม สารเหล่านี้เกือบทั้งหมดเป็นพิษสูง ทั้งต่อสิ่งมีชีวิต (คาร์บอนมอนอกไซด์ ฟอร์มาลดีไฮด์ เมทานอล) และต่อโลก (มีเทนเป็นก๊าซเรือนกระจก) จุลินทรีย์หลายชนิดสามารถทนต่อความเข้มข้นสูงของกรดฟอร์มิกได้ก็ต่อเมื่อกรดฟอร์มิกถูกทำให้เป็นกลางเป็นฟอร์เมตที่เป็นเบสแล้วเท่านั้น
“กรดฟอร์มิกเป็นแหล่งคาร์บอนที่มีศักยภาพสูงมาก” มาเรน แนตเตอร์มันน์ ผู้เขียนหลักของการศึกษาเน้นย้ำ “แต่การเปลี่ยนกรดฟอร์มิกให้เป็นฟอร์มาลดีไฮด์ในหลอดทดลองนั้นต้องใช้พลังงานสูงมาก” เนื่องจากฟอร์เมต ซึ่งเป็นเกลือของฟอร์เมตนั้น ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นฟอร์มาลดีไฮด์ได้ง่าย “มีอุปสรรคทางเคมีที่สำคัญระหว่างโมเลกุลทั้งสองนี้ และก่อนที่เราจะสามารถทำปฏิกิริยาได้จริง เราต้องเอาชนะอุปสรรคนี้ด้วยความช่วยเหลือจากพลังงานชีวเคมี – ATP”
เป้าหมายของนักวิจัยคือการหาวิธีที่ประหยัดกว่า เพราะยิ่งใช้พลังงานน้อยลงในการป้อนคาร์บอนเข้าสู่กระบวนการเผาผลาญ ก็ยิ่งมีพลังงานเหลือใช้ในการกระตุ้นการเจริญเติบโตหรือการผลิตมากขึ้น แต่ในธรรมชาติไม่มีวิธีเช่นนั้น “การค้นพบเอนไซม์ลูกผสมที่มีหลายหน้าที่นั้นต้องอาศัยความคิดสร้างสรรค์” โทเบียส เออร์บ กล่าว “อย่างไรก็ตาม การค้นพบเอนไซม์ที่เป็นตัวเลือกนั้นเป็นเพียงจุดเริ่มต้น เรากำลังพูดถึงปฏิกิริยาที่สามารถนับรวมกันได้เพราะมันช้ามาก ในบางกรณี มีปฏิกิริยาน้อยกว่าหนึ่งครั้งต่อวินาทีต่อเอนไซม์หนึ่งตัว ปฏิกิริยาตามธรรมชาติสามารถเกิดขึ้นได้เร็วกว่านั้นถึงพันเท่า” นี่คือจุดที่ชีวเคมีสังเคราะห์เข้ามามีบทบาท มาเรน แนตเตอร์มันน์ กล่าวว่า “หากคุณรู้โครงสร้างและกลไกของเอนไซม์ คุณก็จะรู้ว่าจะต้องเข้าไปแทรกแซงตรงไหน มันมีประโยชน์อย่างมาก”
การเพิ่มประสิทธิภาพของเอนไซม์เกี่ยวข้องกับหลายแนวทาง ได้แก่ การแลกเปลี่ยนหน่วยโครงสร้างเฉพาะ การสร้างการกลายพันธุ์แบบสุ่ม และการคัดเลือกตามความสามารถ “ทั้งฟอร์เมตและฟอร์มาลดีไฮด์มีความเหมาะสมมาก เพราะสามารถแทรกซึมผ่านผนังเซลล์ได้ เราสามารถเติมฟอร์เมตลงในอาหารเลี้ยงเซลล์ ซึ่งจะสร้างเอนไซม์ที่เปลี่ยนฟอร์มาลดีไฮด์ที่เกิดขึ้นให้กลายเป็นสีย้อมสีเหลืองที่ไม่เป็นพิษภายในไม่กี่ชั่วโมง” มาเรนกล่าว นัตเทอร์มันน์อธิบาย
ผลลัพธ์ที่ได้ในช่วงเวลาอันสั้นเช่นนี้จะเป็นไปไม่ได้เลยหากปราศจากการใช้วิธีการที่มีประสิทธิภาพสูง เพื่อบรรลุเป้าหมายนี้ นักวิจัยได้ร่วมมือกับบริษัทพันธมิตรทางอุตสาหกรรม Festo ในเมืองเอสลิงเงน ประเทศเยอรมนี “หลังจากทดลองไปประมาณ 4,000 ครั้ง เราสามารถเพิ่มผลผลิตได้ถึงสี่เท่า” มาเรน แนตเตอร์มันน์ กล่าว “ด้วยเหตุนี้ เราจึงได้สร้างพื้นฐานสำหรับการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ต้นแบบ E. coli ซึ่งเป็นจุลินทรีย์สำคัญในงานด้านเทคโนโลยีชีวภาพ บนกรดฟอร์มิก อย่างไรก็ตาม ในขณะนี้ เซลล์ของเราสามารถผลิตได้เพียงฟอร์มาลดีไฮด์และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงไปได้อีก”
นักวิจัยจากสถาบันแม็กซ์พลังค์กำลังร่วมมือกับเซบาสเตียน วิงค์ จากสถาบันสรีรวิทยาโมเลกุลของพืช ในการพัฒนาสายพันธุ์แบคทีเรียที่สามารถดูดซับสารตัวกลางและนำเข้าสู่กระบวนการเผาผลาญหลัก ในขณะเดียวกัน ทีมงานยังทำการวิจัยเกี่ยวกับการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกรดฟอร์มิกด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี ร่วมกับกลุ่มทำงานที่สถาบันการแปลงพลังงานเคมี แม็กซ์พลังค์ ภายใต้การกำกับดูแลของวอลเตอร์ ไลท์เนอร์ เป้าหมายระยะยาวคือการสร้าง "แพลตฟอร์มแบบครบวงจร" สำหรับการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผลิตจากกระบวนการทางไฟฟ้าชีวเคมีไปเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น อินซูลินหรือไบโอดีเซล
อ้างอิง: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “การพัฒนากระบวนการต่อเนื่องแบบใหม่สำหรับการเปลี่ยนฟอร์เมตที่ขึ้นอยู่กับฟอสเฟตเป็นฟอร์มาลดีไฮด์ในหลอดทดลองและในร่างกาย”, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez และ Tobias J. Erb, 9 พฤษภาคม 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: แหล่งรวมข่าวเทคโนโลยีที่ดีที่สุดตั้งแต่ปี 1998 ติดตามข่าวสารเทคโนโลยีล่าสุดได้ทางอีเมลหรือโซเชียลมีเดีย > รับข่าวสารสรุปทางอีเมลได้ฟรี
นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการโคลด์สปริงฮาร์เบอร์พบว่า SRSF1 ซึ่งเป็นโปรตีนที่ควบคุมการตัดต่อ RNA มีปริมาณเพิ่มสูงขึ้นในตับอ่อน