Bakkers fermenteren deeg voor een goed gerezen brood. Brouwers fermenteren tarwe en gerst voor een zacht, moutig glas bier. En als de belangrijkste bakkers en brouwers van de natuur, kunnen sommige microben zelfs nog meer doen. Bepaalde soorten bacteriën fermenteren kooldioxide (CO₂ ) gas om hun eigen voedingsstoffen naar keuze te maken, die kunnen worden gebruikt om onze wereld energie te geven.

Dit opmerkelijke vermogen - het vergisten van CO₂ omgezet in chemische energie - gaat niet verloren aan onderzoekers die de subtiele en complexe chemische reacties in bacteriën bestuderen.

Onder hen is National Renewable Energy Laboratory (NREL) wetenschapper Wei Xiong, die zei dat gasfermenterende bacteriën lessen bieden over het omzetten van afvalgassen zoals CO₂ in duurzame brandstoffen.

"CO₂ verwijdering en conversie zijn van wereldwijd belang als CO₂ is het belangrijkste warmtevasthoudende (broeikas)gas in de atmosfeer. Paden voor CO₂ fixatie zijn een crux," legde Xiong uit. "We hebben een speciale interesse in het ontwerpen van nieuwe CO₂ fixatiemogelijkheden in bacteriën om ze te helpen bij het synthetiseren van belangrijke voorlopers van biobrandstoffen, bijvoorbeeld acetyl-CoA."

Acetyl-CoA is het belangrijkste ingrediënt voor het maken van chemicaliën voor meerdere brandstoffen, waaronder vetzuren, butanol en isopropanol. En zoals beschreven in een paper gepubliceerd in Nature Synthesis , Xiong en zijn collega's hebben laten zien hoe de productie van de brandstofprecursor kan worden verbeterd met behulp van een nieuwe route in gasfermenterende bacteriën.

Door dit te doen, vergroten ze de mogelijkheid om biologische methoden te gebruiken om CO₂ . af te vangen en om te zetten op industriële schaal.

Eenvoudige koolstofboekhouding:C1 + C1 =C2

Natuurlijk volgt gasfermentatie in bacteriën een lineaire reeks reacties, bij wetenschappers bekend als de Wood-Ljungdahl-route, genoemd naar professoren Harland G. Wood en Lars G. Ljungdahl die het in de jaren tachtig ontdekten. Simpel gezegd:enzymen strippen CO₂ van zijn koolstof met behulp van de elektrische energie van nabijgelegen waterstof- of koolmonoxidegas. Vervolgens hechten ze twee van deze één-koolstofatomen (C1) op een groter molecuul dat al in de bacteriën aanwezig is, co-enzym A (CoA) genaamd. Door twee koolstofhendels (C2) aan dit hulpmolecuul te bevestigen, worden ze gemakkelijker toegankelijk voor andere reacties.

Het eindresultaat? Acetyl-CoA, een meer energie- en koolstofdicht molecuul dat de groei van bacteriën ondersteunt, en een handige voorloper voor het maken van waardevolle, klimaatvriendelijke biobrandstoffen.

Ondanks zijn slimheid is het Wood-Ljungdahl-pad alleen misschien niet genoeg voor industrieel gebruik. En de schijnbaar eenvoudige wiskunde (C1 + C1 =C2) is het gevolg van een duizelingwekkend aantal chemische reacties.

"Het ontwikkelen van dit pad om de efficiëntie te verbeteren is een uitdaging vanwege de complexiteit van de enzymen", legt Xiong uit.

Om de Wood-Ljungdahl-route direct te verbeteren, gingen de wetenschappers op zoek naar een volledig nieuwe route voor het maken van acetyl-CoA. Met behulp van een door NREL ontwikkeld computermodel genaamd PathParser - en geavanceerde genetische hulpmiddelen - vond het team een ​​nieuwe CO₂ uit -fixerende route in een soort gasfermenterende bacteriën genaamd Clostridium ljungdahlii.

Uiteindelijk komt de wiskunde hetzelfde uit:C1 + C1 =C2.

Maar om daar te komen, bevat het een paar parallelle reacties:een koolstoffixerende fiets met twee wielen die samenwerken om CO₂ op te vangen , transformeer het met behulp van een reeks chemische tandwielen en richt het om om de acetyl-CoA-generatie voort te stuwen (geïllustreerd in bovenstaande afbeelding). Indien toegevoegd aan gasfermenterende bacteriën, zou de route de Wood-Ljungdahl-route kunnen aanvullen om acetyl-CoA efficiënter op te leveren.

Kunnen we ons een weg banen naar koolstofneutraliteit?

Er is vandaag en waarschijnlijk ook in de toekomst geen tekort aan afvalgassen. Miljoenen tonnen CO₂ worden elk jaar vrijgelaten door de zware industrie - een bijproduct van het raffineren van biobrandstoffen, het maken van staal of het mengen van beton. Wetenschappers onderzoeken technologieën om CO₂ af te vangen en op te slaan, nog beter:ruim voordat het ooit de atmosfeer bereikt.

"In de context van de opwarming van de aarde en klimaatverandering zoeken wetenschappers vanuit het microbiële metabolisme naar nieuwe oplossingen voor het omzetten van CO₂ tot brandstoffen en chemicaliën," zei Xiong. "Gasfermenterende bacteriën fixeren CO₂ en vertegenwoordigen een koolstofnegatieve manier om aan onze energie- en milieueisen te voldoen."

Van wie kun je beter leren dan gasfermenterende bacteriën met een vast CO₂ met gemak voor miljoenen jaren? + Verder verkennen

Nieuw ontdekte metabolische route gebruikt enkelvoudige koolstofgassen als grondstof