Cukrot készít a szén-dioxidból a most kifejlesztett cyber-spenót
Új szén-dioxid-faló módszert dolgoztak ki német és francia kutatók: megépítették a fotoszintézist végző sejtszervecske, a kloroplasztisz mesterséges változatát, amely napfényt és egy laboratóriumban kialakított kémiai útvonalat használ ahhoz, hogy a szén-dioxidból cukrot készítsen. Tanulmányukat május 8-án jelentette meg a Science.
A most kifejlesztett mesterséges fotoszintézis egyfelől potenciálisan arra lenne alkalmas, hogy az apró, élettelen, napenergiával működő „gyárak” terápiás gyógyszer-alapanyagokat állítsanak elő. Továbbá mivel az új kémiai útvonal hatékonyabb, mint ami a természetben kifejlődött, a kutatók remélik, hogy egy hasonló folyamat egy nap talán abban is szerepet kaphat, hogy csökkenjen a légköri szén-dioxid mennyisége.
Egyelőre azonban nem világos, hogyan lehetne a mesterséges mini cukorgyárat gazdaságosan működtethető, de jóval nagyobb volumenű folyamattá alakítani.
És jött a spenót
A természetben hat különböző módszer fejlődött ki a szén-dioxid megkötésére, de a lényeg mindegyiknél ugyanaz: a szén-dioxidból cukor lesz különféle enzimek közreműködésével, amelyek nap- vagy kémiai energiát használnak fel. 2016-ban (a mostani kutatásban is részt vevő) Tobias Erb, a Max Planck Intézetnél dolgozó szintetikus biológus és kollégái felfedeztek egy hetedik lehetőséget, amihez – Erb elmondása szerint – egyszerű termodinamikai és kinetikus megközelítéseket alkalmaztak, hogy az újragondolt szén-dioxid-megkötés hatékonyabb folyamattá váljon. A CETCH ciklusnak elnevezett módszer, amely enzimek bonyolult összjátékát igényli, 20 százalékkal bizonyult hatékonyabbnak, mint a fotoszintézis természetes formái.
Akkor még nem tisztázták, hogy a CETCH ciklus beleilleszthető-e egy sejt működésébe úgy, hogy a többi funkció se sérüljön. Hogy ennek utánajárjon, Erb kollégája, Tarryn Miller a spenótot kezdte tanulmányozni. Kivonta a spenótsejtek kloroplasztiszaiból a fényelnyelő membránt, és laboratóriumi reakciós tartályban helyezte el a CETCH ciklusban részt vevő 16 enzimmel. Rövid keverés után kiderült, hogy a spenótból nyert membránok és az enzimek kitűnően dolgoznak együtt.
A kutatók lényegében egy mesterséges kloroplasztiszt hoztak létre, amelyben a spenótkloroplasztisz-membránok begyűjtik a napenergiát, amit a szintetikus CETCH ciklus enzimjei arra használnak, hogy lebontsák a szén-dioxidot. Az enzimek egy glikolsav nevű vegyületet állítanak elő, amely kedvelt ipari alapanyag, de ebben a tiszta formájában organikus termékekhez is felhasználható.
Gyógyszernek és szén-dioxid ellen
Bár az eredmény elsősorban a teória igazolását jelenti, a mesterséges kloroplasztiszok számos jövőbeli felhasználása elképzelhető. A szintetikus biológia mai fejlettsége mellett a mikroorganizmusokból olyan hasznos molekulák is előállíthatók, amelyek például gyógyszeralapanyagként is beválnak. Erb szerint a mesterséges kloroplasztiszok energiát adhatnak az élettelen minireaktoroknak olyan molekulák előállításához is, amelyeket élő sejtek nem tudnak létrehozni.
Ezt ráadásul sokkal hatékonyabban képesek elérni, mint természetes társaik – tette hozzá a kutatásban nem közreműködő Kate Adamale, a Minnesotai Egyetemen dolgozó szintetikus biológus. „A természetes sejtek sok energiát fordítanak az önfenntartásra, míg a mesterséges rendszereknek nem kell nőniük, szaporodniuk, fenntartaniuk életfunkcióikat.” Tehát a szintetikus rendszer „metabolizmusából” nyert energiát teljes egészében az értékes kémiai anyagok előállítására lehet fordítani. Adamala szerint az is elképzelhető, hogy a mesterséges kloroplasztiszoknak a légköri szén-dioxid leválasztásában is szerepe lehet.
Addig azonban bőven vannak még elhárítandó akadályok. Az egyik, hogy a spenót membránjai csak néhány óráig használhatók a mesterséges kloroplasztiszban, utána megkezdődik a bomlásuk, így a rendszer élettartama is korlátozott. Ráadásul a spenót termesztése és a membrán kinyerése meglehetősen időigényes. Erb szerint így kifejezetten butaság lenne ennek a rendszernek a kapacitásnövelésével próbálkozni, ehelyett a kutatócsoport a membrán kiváltására képes mesterséges rendszer fejlesztésével is próbálkozik.
Cél a szintetikus sejt
Csábító lehetőség továbbá, hogy a mesterséges kloroplasztisz segítségével teljes szintetikus organizmusok épüljenek fel – ám egyelőre ennek is vannak korlátai. Kuruma Jutecu, a Tokiói Műegyetem szintetikus biológus munkatársa szerint lehetséges, hogy a szintetikus kloroplasztiszt mesterséges sejtek energiaforrásaként vessék be, de ehhez nem ártana, ha a mesterséges kloroplasztisz is képes lenne az önjavításra és saját maga reprodulálására, ahogy a természetes kloroplasztiszok.
Ez nem riasztotta el Erbet és kollégáit attól, hogy megkezdjék a szintetikus sejt létrehozását célzó kísérleteiket. Együttműködnek a kaliforniai J. Craig Venter Intézet kutatóival, akik 2016-ban már építettek szintetikus sejteket az élethez minimálisan szükséges számú génnel. Az a terv, hogy a CETCH ciklust ezekbe a minimálsejtekbe telepítik – ha ez sikerül, egy lépéssel közelebb jutnak ahhoz, hogy olyan mesterséges lényt hozzanak létre, amely szén-dioxiddal táplálkozik.
Paul King, a coloradói Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium biokémikusa külsős szakértőként „alapvető felfedezésnek” nevezte a Science-ben most publikált fejlesztést. Erb maga pedig úgy fogalmazott: „a természet nagyon konzervatív tud lenni, soha nem aknázta ki a fotoszintézisben rejlő lehetőségek teljes körét. Minket pedig éppen ez izgat: olyan megoldásokat is kidolgozhatunk, amelyeket a természet kihagyott.”
Kapcsolódó cikkek a Qubiten: