盡管表達對二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖，例如有機化合物酶地球上的生物體的巨大多樣性-作為植物做通過光合作用-利用這些功能的努力轉(zhuǎn)化CO 2轉(zhuǎn)化為高價值產(chǎn)品，如生物燃料和可再生化學(xué)品的成功有限。雖然增加的CO濃度2在大氣中形成了挑戰(zhàn)，研究人員還認(rèn)為這是一個機會。

現(xiàn)在，來自德國馬爾堡陸地微生物學(xué)Max-Planck研究所(MPI)的團隊通過利用美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的DNA合成專業(yè)知識，反向設(shè)計了一種生物合成途徑，以獲得更有效的碳固定。這種新途徑基于新的CO 2固定酶，其比自然界中最普遍的酶快近20倍，其通過使用太陽光作為能量來捕獲植物中的CO 2。該研究發(fā)表在2016年11月18日的“ 科學(xué) ”雜志上。

“我們已經(jīng)看到直接組裝生物體內(nèi)CO 2固定合成途徑的努力到目前為止還沒有成功，”負(fù)責(zé)這項研究的MPI的Tobias Erb說。“因此，我們采用了一種截然不同的簡化方法，通過在試管中自下而上地組裝合成主成分。”

該團隊從幾個理論上的CO 2固定路線開始，這可能導(dǎo)致持續(xù)的碳循環(huán)。但他們并沒有就此止步。“我們并沒有將我們的設(shè)計工作局限于已知的酶，而是考慮了所有似乎在生物化學(xué)上可行的反應(yīng)，”Erb說。

與從生物體基因組中讀取生命語言的DNA測序不同，DNA合成首先需要鑒定特定的遺傳元件 - 例如用于固定大氣中碳的酶 - 并在新的中編寫和表達該代碼系統(tǒng)。

最后，他們通過測序和合成，從三個生命王國的9種不同生物體中獲取了17種不同的酶，并精心策劃了這些部分，以實現(xiàn)原理CO 2 -固定途徑性能的證明，超過了在自然界中可以發(fā)現(xiàn)的性能。 。Erb將其稱為巴豆酰-CoA /乙基丙二?；?12CoA /羥基丁?；?CoA的“CETCH循環(huán)”。因為它cetches'CO 2更有效地從大氣中。

通過部署代謝“反復(fù)合成”的概念，將反應(yīng)一步一步地拆解回較小的前體，該團隊調(diào)整了熱力學(xué)條件并提出了一種策略，該策略產(chǎn)生了更有希望的結(jié)果，與天然代謝途徑有利地競爭。然后，他們探測了公共數(shù)據(jù)庫的深度，以尋找支持他們模型的酶，并選擇了幾十種來試驗。

“我們首先逐步重構(gòu)其中心CO 2 -固定反應(yīng)序列，提供催化所有所需反應(yīng)的成分。然后，通過以下CO的通量2我們發(fā)現(xiàn)了特定的鍵反應(yīng)限速“。

事實證明，甲基琥珀酰輔酶A脫氫酶(Mcd)是參與呼吸的酶家族的一部分 - 生物細(xì)胞中的代謝反應(yīng)將碳等營養(yǎng)素轉(zhuǎn)化為能量單位。

“為了克服這個限制，我們設(shè)計了Mcd使用氧氣作為電子受體，以增強功能，但這還不夠，”Erb說。“我們不得不用替代反應(yīng)序列取代原始途徑設(shè)計，使用進一步的酶工程來減少混雜酶的副反應(yīng)，并引入校正酶來糾正死端代謝物的形成，”Erb說。

為了支持MPI團隊的努力，DOE JGI通過其社區(qū)科學(xué)計劃合成了數(shù)百種Enoyl-CoA羧化酶/還原酶(ECR)酶變體。這使得MPI團隊能夠在具有最高CO 2固定活性的ECR上歸零，從而在試管中成功構(gòu)建更有效的人工CO 2固定途徑。

“的ECR是增壓的酶，它們能夠固定CO的2在比最廣泛流行CO快近20倍速率2在自然界-定影酶，RUBISCO，其執(zhí)行參與光合作用繁重，” Erb的說。

該化學(xué)過程線束陽光把二氧化碳轉(zhuǎn)化成細(xì)胞能夠與行星上的其他自然過程沿著作為能量使用并占約350十億噸二氧化碳的轉(zhuǎn)化糖2每年。

七十年前，這種現(xiàn)象俘獲了早期伯克利實驗室研究員梅爾文·卡爾文的想象力，梅爾文·卡爾文與安德魯·本森和詹姆斯·巴斯?jié)h姆一起描述了植物，藻類和微生物，這個循環(huán)現(xiàn)在以他們的名字命名，而凱文被授予諾貝爾獎1961年獲獎。

這一代研究人員關(guān)注如何捕獲過量的二氧化碳，將其從大氣中清除，并將其轉(zhuǎn)化為能源和天然產(chǎn)品以促進經(jīng)濟發(fā)展。

“現(xiàn)在伯克利實驗室通過DOE聯(lián)合基因組研究所，一直是我們了解微生物的巨大遺傳多樣性及其在環(huán)境中的作用的主要貢獻者，特別是在碳循環(huán)中，” DNA合成科學(xué)負(fù)責(zé)人Yasuo Yoshikuni說。DOE JGI的小組。“通過從生態(tài)學(xué)上重要的利基中對未充分探索的門進行測序，我們已經(jīng)掌握了我們現(xiàn)在能夠在實驗室中合成的基因和途徑，以揭示自然用于碳代謝的新策略。鑒定編碼CO這些基因2 -定影酶和它們的生物學(xué)功能，是重要的缺件在氣候難題之一“。

由于成功地在試管中重建合成酶網(wǎng)絡(luò)以將CO 2轉(zhuǎn)化為優(yōu)于化學(xué)過程的有機產(chǎn)品并且與自然界中的那些有利地競爭，因此，Erb表示這為其他未來應(yīng)用打開了大門。

“這些可能包括將合成的CO 2 -固定循環(huán)引入生物體以支持自然光合作用，或者說，與光伏技術(shù)相結(jié)合，引領(lǐng)人工光合作用的方式，這可能最終啟動自我維持的設(shè)計，完全合成細(xì)菌和藻類系統(tǒng)中的碳代謝。“

Yoshikuni展望未來DNA測序和生物功能進一步融合利用DNA合成的未來。“通過DOE JGI的高通量測序能力以及DNA合成價格的快速下降，我們繼續(xù)使我們的用戶群體揭示微生物和微生物群落的生理潛力。從長遠(yuǎn)來看，我們希望看到這些試管結(jié)果能夠產(chǎn)生新一代真正的生物產(chǎn)品，以解決關(guān)鍵的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)。“

這項工作的更廣泛意義在于大大說明“工程思維”在生物技術(shù)中的作用日益增強，因為從高通量基因組測序中出現(xiàn)的生物“部件清單”的加速表征為生物體的設(shè)計能力提供了更大的重建機會。解決生物能源和環(huán)境中的DOE任務(wù)需求。

該研究得到了歐洲研究委員會，瑞士國家科學(xué)基金會，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和馬克斯普朗克學(xué)會的支持。DOE JGI是DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。