Ученые раскрыли механизм превращения угарного газа в биотопливо

Бактерия C. autoethanogenum используется на промышленных предприятиях для детоксикации отходных газов, богатых CO₂ и CO, с одновременным производством различных соединений, включая биотопливо этанол. Автор: Olivier Lemaire / Max Planck Institute for Marine Microbiology

Ученые из Института морской микробиологии Общества Макса Планка экспериментально продемонстрировали молекулярные механизмы, которые использует микроб Clostridium autoethanogenum для преобразования промышленных отходных газов в этанол. Это открытие имеет огромное значение для устойчивого производства топлива и химикатов.

Микроб, служащий «зеленым» технологиям

Clostridium autoethanogenum, впервые выделенный из помета кроликов, может развиваться на чистом угарном газе — смертельном газе для большинства организмов. Этот необычный микроб потребляет яд, чтобы строить клеточные материалы из углерода, и получает энергию через последовательные химические реакции.

Хотя этот организм уже широко используется на промышленных предприятиях для производства этанола, точный механизм его производства оставался неясным. Ключевым этапом реакции считалось восстановление ацетата в ацетальдегид. Исследование, опубликованное в Nature Chemical Biology, разрешило этот спор и разгадало загадку.

Молекулярный анализ реакции восстановления ацетата

Фермент, ответственный за сложную химическую реакцию, известен как альдегид:ферредоксин оксидоредуктаза (AFOR). Он содержит вольфрам — самый тяжелый атом, встречающийся в биологии.

Используя передовые методы, ученые очистили фермент из C. autoethanogenum и определили его атомную структуру с помощью рентгеновской кристаллографии. Однако возникла проблема: фермент был неактивен.

«Однако благодаря долгой и упорной работе мы нашли способ реактивировать его», — объяснил Оливье Лемер, руководивший исследованием вместе с Тристаном Вагнером.

«Таким образом, мы смогли охарактеризовать фермент», — говорит соавтор исследования Мелисса Бельами. «У него относительно широкий диапазон субстратов, что потенциально позволяет производить различные спирты помимо этанола».

Совместная работа ферментов позволяет осуществить невыгодную реакцию

Ученым нужно было объяснить, как AFOR может выполнять реакцию, которая термодинамически невыгодна. Решением стало смешивание различных ферментов вместе с AFOR. Исследователи построили «искусственный путь» в пробирке и успешно произвели этанол из ацетата, подтвердив, что полная последовательность реакций биологически осуществима внутри клетки.

Превращение отходов в полезные продукты

«Открытие механизма реактивации AFOR, его молекулярное описание на атомном уровне и производство этанола по искусственному пути послужат текущему метаболическому инжинирингу C. autoethanogenum для производства других полезных веществ из промышленных отходных газов», — сказала Бельами.

Это исследование представляет собой еще один шаг вперед в производстве «зеленой» энергии через биоконверсию газа, предлагая надежду на более чистый и умный способ переработки углерода.