Un nuevo estudio muestra que la E. coli rediseñada puede absorber y concentrar dióxido de carbono del aire, dando un paso hacia el secuestro de carbono.
Niveles crecientes de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera están provocando el cambio climático y la destrucción del medio ambiente. Pero, ¿y si pudiéramos dibujar más? CO2 fuera de la atmósfera utilizando organismos vivos? Mejor aún, ¿y si pudiéramos usar el carbono en CO2 alimentar a más personas o impulsar una nueva industria química ecológica? En un artículo publicado hoy en eLife, un equipo del laboratorio del investigador de IGI Dave Savage en UC Berkeley informa un avance importante en esta dirección.
Carbono: el verdadero MVP
Todas las formas de vida de la Tierra utilizan carbono. El carbono es un componente esencial de la (SCD por sus siglas en inglés), y de las celdas de compuestos que se utilizan como combustible. Algunas formas de vida, en particular plantas y microorganismos que utilizan la fotosíntesis, obtienen todo su carbono de CO2 en la atmósfera. Pero porque CO2 constituye solo el 0.04% de la atmósfera de la Tierra, no es fácil para los organismos que dependen de la atmósfera CO2 para obtener el carbono que necesitan. Bombeo de CO2 en un compartimento celular llamado carboxisoma es una forma común en la que se concentran muchos microorganismos CO2, lo que le da a la celda un grupo fácilmente disponible.
La mayoría de los demás organismos, incluidos los humanos, obtienen carbono de sus alimentos. E. coli - bacterias fotosintéticas que viven en las entrañas de los seres humanos y otros animales y se utilizan ampliamente en la investigación científica, por lo general obtienen carbono al comer azúcares simples de los alimentos que consumimos. Poder poner carboxisomas y su capacidad para capturar CO2, en nuevos organismos podría tener enormes implicaciones para el medio ambiente, la agricultura, la ingeniería química y más.
Un obstáculo de carbono
Los carboxisomas no son simplemente compartimentos vacíos, sino estructuras complejas formadas por más de 10,000 distintos proteína piezas que se autoensamblan espontáneamente. En un trabajo anterior, los investigadores del laboratorio Savage identificaron lo que esperaban que fuera el complement of los genes necesario para hacer un carboxisoma funcional en un microorganismo que estaban estudiando, así como transportadores cruciales, que traen CO2 en la celda. En el trabajo publicado hoy, probaron si realmente habían descubierto todos los genes carboxisomas y transportadores cruciales al agregarlos a E. coli bacterias. Su objetivo era recrear un funcionamiento CO2 concentrando el sistema en una célula huésped extraña que nunca tuvo uno para empezar.
El equipo de Savage confiaba en que podrían crear algo que pareciera un carboxisoma insertando los genes correctos, pero querían ver si realmente funcionaba también como un carboxisoma. Pero, normal E. coli obtienen carbono de su dieta. No necesitan concentrarse CO2y crecerá felizmente sin él. Entonces, necesitaban diseñar E. coli que no tenían más opción que usar sus nuevos carboxisomas y transportadores para obtener el carbono que ansiaban.
“Durante muchos años, he estado interesado en reconstituir el carboxysome para estudiar su estructura y su notable capacidad de autoensamblaje. Pero no estaba claro cómo podríamos hacer el experimento del jonrón de reconstituir funcionalmente todo CO2-sistema de concentración ”, dice Savage. "¡El evento crítico fue que Avi Flamholz se unió al laboratorio!"
Flamholz, que tenía experiencia previa en el estudio de la fotosíntesis en el laboratorio de Ron Milo en el Instituto de Ciencias Weizmann, se dio cuenta de que la clave era obligar a las bacterias a buscar en otra parte.
"Hicimos un obstáculo en su metabolismo al eliminar un gen importante", explica Flamholz. "Y luego les dimos la oportunidad de tomar un desvío alrededor de la barricada usando CO2."
En otras palabras, el equipo de investigación eliminó genes que E. coli generalmente se usa para procesar azúcares. Este cambio significó el E. coli necesitaba otra fuente de carbono, como CO2. Pero solo pueden obtener suficiente carbono si el transportador y el carboxi trabajan juntos de manera efectiva para concentrar el ambiente. CO2 desde el aire. Funcionó.
"Concentrarse realmente de manera productiva CO2 ¡fuera del aire ambiente son plátanos! " dice Savage. "Aunque atmosférico CO2 Los niveles están aumentando de una manera que es enormemente significativa para el clima, la mayoría de los organismos que utilizan CO2 porque su fuente de carbono están prácticamente hambrientos de CO2! Ver el funcionamiento del sistema según la hipótesis fue muy satisfactorio ".
Alimentando un planeta en crecimiento con CO2
Microorganismos inventados CO2-concentrando la tecnología, y esta investigación nos acerca un paso más a poder tomar prestada y aprovecharla. Durante mucho tiempo ha habido entusiasmo por la posibilidad de agregar CO2 concentrar los sistemas en las plantas para que puedan extraer más CO2 desde el aire, potencialmente ralentizando el cambio climático.
“Estamos muy entusiasmados con las aplicaciones potenciales, que es una de las razones por las que es tan bueno ser parte de la investigación colaborativa que se lleva a cabo en el IGI”, dice Savage. “En el futuro, tenemos un gran interés en el cloroplasto, que es el motor de la célula vegetal. Creemos que algunos de los principios aprendidos aquí podrían usarse para mejorar la fotosíntesis en las plantas ”.
Añadiendo adicionales CO2-La concentración de energía en los cultivos podría darles más combustible para crecer más rápido y más grandes, al tiempo que se reduce el uso de agua y fertilizantes. En otras palabras, el objetivo es capturar CO2 del aire y crear más alimentos para ayudar a alimentar a nuestra creciente población mundial con menos insumos agrícolas.
Ecologizar la química de la nada
Además de reducir el uso de productos químicos, este avance podría afectar en primer lugar cómo se producen los productos químicos y las reacciones químicas. La fabricación de productos químicos tradicionales produce metales pesados, petróleo, desechos tóxicos y liberaciones CO2 en la atmósfera. La "química verde" utiliza organismos diseñados para realizar reacciones químicas, reduciendo estos peligros ambientales. Trasplantar esto CO2-sistema de concentración en E. coli u otros microbios utilizados en la química verde podrían convertirse en una forma de tomar CO2 fuera de la atmósfera, en lugar de agregar más.
El laboratorio Savage y sus colaboradores ahora están trabajando para agregar carboxisomas y CO2 transportadores en microorganismos industrialmente relevantes para ver si pueden concentrarse CO2 y convertirlo en productos útiles.
“Piense en todas las cosas que podría hacer con microbios, como productos químicos, biocombustibles, aditivos para alimentos o incluso proteínas comestibles a granel, como carnes de imitación”, dice Flamholz. “Para todas esas cosas, ¿por qué no debería ser la fuente de carbono CO2? ¿Por qué no deberíamos sacarlo del aire? "
