Tegenwoordig zijn de grondstoffen voor vrijwel alle industriële producten, van medicijnen tot autobanden, afkomstig van niet-hernieuwbare chemische grondstoffen. Ze worden geproduceerd in raffinaderijen voor fossiele brandstoffen die broeikasgassen uitstoten, zoals koolstofdioxide. Toekomstige chemische fabrieken kunnen deze dynamiek echter omkeren en sommige verbindingen produceren met behulp van planten die van nature complexe chemicaliën construeren door koolstofdioxidemoleculen uit de lucht te halen.

Tomokazu Shirai maakt gebruik van de aangeboren chemische capaciteiten van de biologie en stuurt ze om zodat planten en microben op schone wijze de soorten industriële chemicaliën produceren die momenteel worden gewonnen uit het kraken van ruwe olie. De synthetisch bioloog is senior wetenschapper bij het Cell Factory Research Team en trad in 2012 toe tot het RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS, voorheen het RIKEN Biomass Engineering Program). Zijn team heeft al 's werelds eerste microben gecreëerd die glucose opnemen en omzetten omgezet in maleïnezuur of 1,3-butadieen. Deze waardevolle industriële chemicaliën worden gebruikt in talloze producten, waaronder polymeren en rubbers.

Maar dit is slechts de eerste stap voor synthetische biologen van CSRS. Deze gemanipuleerde microben moeten suikers krijgen om de beoogde chemicaliën te produceren, maar als planten als gastheerorganisme worden gebruikt, zal hun vermogen om koolstofdioxide rechtstreeks uit de atmosfeer te assimileren resulteren in de koolstofnegatieve productie van veel waardevolle chemicaliën.

Computerverouderd ontwerp

Synthetische biologie is een opkomend onderzoeksgebied dat chemie, biologie en engineering combineert om de molecuulproducerende metabole routes van doelorganismen te herwerken, zodat ze waardevolle chemicaliën produceren. CSRS-wetenschappers hebben expertise in katalytische chemie en in chemische biologie, maar ook veel die gespecialiseerd zijn in grootschalige datawetenschap, berekening en simulatie, en AI.

Het gebruik van AI betekent een afwijking van de traditionele manieren om synthetische biologie te doen. Maar deze computationele benadering was de sleutel tot een samenwerking met bandenfabrikant Yokohama Rubber en Zeon Corporation. De joint venture heeft E. coli-microben ontworpen en gemaakt die glucose opnemen en omzetten in 1,3-butadieen, een belangrijke synthetische chemische stof die wordt gebruikt om banden te maken.

De eerste stap in elk synthetisch biologieproject is het analyseren van de metabole routes van de potentiële gastheer om punten te identificeren die kunnen worden omgeleid om de gewenste chemische stof te produceren. Wijzigingen mogen de groei van de gastheer niet doden of aanzienlijk belemmeren.

Sinds 2012 ontwikkelt en verfijnt Shirai de simulatietool BioProV om door deze complexe biochemische ruimte te navigeren. BioProV is een AI die is getraind in classificatie van metabole routes en enzymreactiepatronen die de natuurlijke metabole routes van een organisme analyseert. Het stelt routewijzigingen voor om een ​​doelstof te produceren zonder het algehele metabolisme van de gastheer te beïnvloeden. Deze in silico-tool maakt het ontwerpen van kunstmatige metabole routes en de evaluatie van hun haalbaarheid mogelijk.

Zijn team ontdekte dat E. coli van nature een molecuul produceert dat muconzuur wordt genoemd en dat in twee enzymatische reacties kan worden omgezet in 1,3-butadieen. Om de microbe de capaciteit te geven om de twee ontbrekende stappen uit te voeren, ontwikkelden Shirai en zijn collega's enzymen voor de noodzakelijke chemische omzetting in 2021.

Om dit te doen, identificeerden ze bekende enzymen die gerelateerde reacties zouden kunnen katalyseren, en wijzigden ze vervolgens voor de nieuwe reacties. Computationele simulatie was nodig om de actieve plaatsen van de kandidaat-enzymen opnieuw te ontwerpen en te modelleren om het nieuwe substraat te accepteren. Het team ontwierp rationeel enzymen die een 1000-voudige toename in activiteit bereikten in vergelijking met het oorspronkelijke wildtype enzym.

De DNA-codes voor deze verbeterde enzymen werden in het E. coli-genoom ingebracht en nu wordt het 1,3-butadieen geproduceerd door deze gemanipuleerde microben gemakkelijk uit hun bioreactor gepipetteerd. De commerciële partners van het project zijn momenteel bezig met het opschalen van het proces om de kilogramhoeveelheden 1,3-butadieen te produceren die nodig zijn voor de productie en evaluatie van banden die zijn gemaakt met behulp van de bio-afgeleide chemische stof.

Chemische bedrijven hebben veel chemici in dienst, maar weinig biologische onderzoekers, dus het is een enorme stap om met deze bedrijven in contact te komen en samen te werken om synthetische biologie naar de echte wereld te vertalen.

Houtwerk

Een duurzaam alternatief voor de traditionele chemische productie op basis van fossiele brandstoffen is om materialen die momenteel als afval worden beschouwd, chemisch of biologisch om te zetten in waardevolle producten.

De houtachtige stengels en stengels van planten die overblijven na de oogst van fruit en granen is één afvalstroom op wereldschaal. Het hoofdbestanddeel van deze oneetbare plantendelen is lignine, een taai biopolymeer. Lignine is de meest voorkomende verbinding uit planten en een van de meest voorkomende verbindingen op aarde. Het kan worden gewonnen uit landbouwafval en is de meest goedkope en duurzame koolstofbron om hernieuwbare brandstoffen en chemicaliën te maken. Het gebruik ervan als grondstof voor hoogwaardige chemicaliën kan zeer gunstig zijn voor de samenleving.

De complexe chemische structuur van lignine maakt het moeilijk om af te breken en weer in elkaar te zetten tot nieuwe verbindingen. Een warmtebehandeling die bekend staat als snelle pyrolyse kan bijvoorbeeld lignine afbreken in subeenheden die kaneelmonomeren worden genoemd. Deze moleculen hebben een dubbele binding die mogelijk kan worden gebruikt om de monomeren te recombineren tot geavanceerde functionele polymeren. Zijketens die zich rond de dubbele binding bevinden, belemmeren echter de chemische reactiviteit en belemmeren de pogingen om polymeren te maken van dit bioafval.

CSRS-wetenschapper Hideki Abe ontwikkelde onlangs een methode om deze beperking te overwinnen. In plaats van synthetische biologie gebruikte Abe organokatalyse om kaneelmonomeren aan elkaar te knippen. Organokatalyse is een duurzame chemietechniek, erkend door de Nobelprijs voor Scheikunde 2021, die kleine organische moleculen als katalysatoren gebruikt in plaats van traditionele katalysatoren op basis van zeldzame of giftige metalen.

De resulterende acrylharsen vertoonden een hoge sterkte en weerstand tegen hitte en chemische degradatie, wat wijst op een breed scala aan mogelijke toepassingen, waaronder voor carrosserie- en motorcomponenten.

Toekomstige groei zaaien

Een ander afvalproduct dat overvloedig aanwezig is, is koolstofdioxide in de lucht.

Voor het Cell Factory Research Team is de volgende grote uitdaging het gebruik van synthetische biologie om planten te ontwikkelen die die koolstofdioxide uit de atmosfeer kunnen opnemen en omzetten in industrieel belangrijke chemicaliën.

Vergeleken met eencellige microben zijn meercellige hogere organismen zoals planten veel complexer in hun genoom en metabolische routes. Dit maakt ze aanzienlijk uitdagender voor synthetisch biologen om mee te werken. Het succesvol herontwerpen van de metabole routes van microben heeft een uitstekende training opgeleverd in de richting van het uiteindelijke doel om planten als gastheer te gebruiken. Door samen te werken met CSRS-onderzoekers die gespecialiseerd zijn in plantenwetenschap, vertaalt het Cell Factory Research Team zijn baanbrekende werk op het gebied van microben naar inzichten die de synthetische biologie van plantencellen kunnen versnellen, met name voor de productie van de terpenoïden die worden gebruikt in medicijnen en aromaten.

Nu de Japanse regering onlangs haar doel aankondigde om tegen 2050 CO2-neutraal te zijn, zijn hogere planten die koolstofdioxide kunnen vastleggen met behulp van de energie uit zonlicht het absolute ideaal voor toekomstige chemische productie.

Aanverwant onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications en Natuurmaterialen door de jaren heen. + Verder verkennen

Microben ontwikkeld om suiker om te zetten in een chemische stof die in banden wordt aangetroffen