Исследователи из Северо-Западного университета и Стэнфордского университета разработали полностью синтетическую метаболическую систему, которая преобразует молекулы, полученные из углекислого газа, в ценные химические строительные блоки

Исследователи из Северо-Западного университета и Стэнфордского университета разработали полностью синтетическую метаболическую систему, которая преобразует молекулы, полученные из углекислого газа, в ценные химические строительные блоки, что знаменует собой шаг вперед в технологии переработки углерода. Система, опубликованная сегодня в Nature Chemical Engineering, работает полностью вне живых клеток, используя ферменты, предназначенные для выполнения реакций, которые никогда ранее не наблюдались в природе.

Прорыв решает постоянную проблему улавливания углерода: преобразование простых одноуглеродных молекул в сложные химические вещества, которые могут служить сырьем для топлива, пластмасс и фармацевтических препаратов. Хотя электрохимические процессы уже могут восстанавливать CO2 в формиат — простое жидкое соединение — биологические системы испытывали трудности с эффективным преобразованием формиата в более полезные продукты.

Создание нового пути

Исследовательская группа под руководством Эшти Карима из Северо-Западного университета и Майкла Джуэлетта из Стэнфорда разработала восстановительный формиатный путь, или ReForm, который использует пять модифицированных ферментов для преобразования формиата в ацетил-КоА через шесть реакционных стадий. Ацетил-КоА является универсальным метаболитом, используемым всеми живыми организмами в качестве строительного блока для тысяч биохимических соединений.

«В природе ничто не может превратить формиат в ацетил-КоА», — сказал Карим, доцент кафедры химической и биологической инженерии в Северо-Западном университете. Команда обратилась к бесклеточной синтетической биологии, извлекая клеточные механизмы из клеток для быстрого тестирования вариантов ферментов вне живых организмов.

Этот подход позволил исследователям проверить 66 ферментов и более 3000 вариантов ферментов за несколько недель — процесс, который занял бы месяцы при использовании традиционных методов с живыми клетками. «Бесклеточная среда позволила нам тестировать тысячи в неделю», — сказал Карим.

Универсальное Преобразование Углерода

В качестве подтверждения концепции исследователи использовали ReForm для преобразования ацетил-КоА в малат, коммерчески ценное химическое вещество, используемое в пищевых продуктах, косметике и биоразлагаемых пластиках. Система также принимает другие углеродсодержащие исходные вещества, включая формальдегид и метанол, оба из которых могут быть получены из улавливаемого CO2.

«Это первая демонстрация архитектуры синтетического метаболического пути, способного это сделать», — сказал Джеветт, который является адъюнкт-профессором в Северо-Западном университете и профессором биоинженерии в Стэнфорде. Команда предполагает, что сочетание электрохимии с синтетической биологией может открыть новые направления для углеродно-нейтрального производства.

Исследование было поддержано Министерством энергетики США и Национальным научным фондом.

https://www.nature.com/articles/s44286-025-00315-6