Bagare jäser degen för ett väl jäst bröd. Bryggare jäser vete och korn för ett slätt, maltigt glas öl. Och som naturens främsta bagare och bryggare kan vissa mikrober göra ännu mer. Vissa arter av bakterier fermenterar koldioxid (CO₂). ) gas för att göra sina egna valfria näringsämnen, som kan utnyttjas för att ge energi till vår värld.

Denna anmärkningsvärda förmåga – att jäsa CO₂ till kemisk energi – går inte förlorad för forskare som studerar de subtila och komplexa kemiska reaktionerna i bakterier.

Bland dem är National Renewable Energy Laboratory (NREL) forskare Wei Xiong, som sa att gasjäsande bakterier ger lektioner om att omvandla avfallsgaser som CO₂ till hållbara bränslen.

"CO₂ borttagning och konvertering är av världsomspännande intresse som CO₂ är den viktigaste värmefångande (växthus)gasen i atmosfären. Vägar för CO₂ fixering är ett krux," förklarade Xiong. "Vi har ett speciellt intresse av att designa ny CO₂ fixeringsvägar i bakterier för att hjälpa dem att syntetisera viktiga biobränsleprekursorer, till exempel acetyl-CoA."

Acetyl-CoA är huvudingrediensen för att göra flera bränslekemikalier, inklusive fettsyror, butanol och isopropanol. Och som beskrivs i en artikel publicerad i Nature Synthesis , Xiong och hans kollegor har visat hur man kan förbättra produktionen av bränsleprekursorn genom att använda en ny väg i gasjäsande bakterier.

Genom att göra det förstärker de möjligheten att använda biologiska metoder för att fånga och omvandla CO₂ i industriell skala.

Enkel kolredovisning:C1 + C1 =C2

Naturligtvis följer gasjäsning i bakterier en linjär serie av reaktioner, kända för forskarna som Wood-Ljungdahl-vägen, uppkallad efter professorerna Harland G. Wood och Lars G. Ljungdahl som upptäckte den på 1980-talet. Enkelt uttryckt kan enzymer ta bort CO₂ av dess kol med hjälp av elektrisk energi från närliggande väte- eller kolmonoxidgas. De fäster sedan två av dessa enkolatomer (C1) på en större molekyl som redan finns i bakterierna, kallad koenzym A (CoA). Genom att fästa två kolhandtag (C2) på denna hjälpmolekyl blir de mer lättillgängliga för andra reaktioner.

Slutresultatet? Acetyl-CoA, en mer energi- och koltät molekyl som stödjer bakteriernas tillväxt – och en praktisk föregångare för att göra värdefulla, klimatvänliga biobränslen.

Trots sin smarthet kanske Wood-Ljungdahl-vägen ensam inte räcker för industriellt bruk. Och dess till synes enkla matematik (C1 + C1 =C2) är konsekvensen av ett svindlande antal kemiska reaktioner.

"Att utforma denna väg för att förbättra effektiviteten är utmanande på grund av enzymernas komplexitet," förklarade Xiong.

För att undvika att förbättra Wood-Ljungdahl-vägen direkt, satte sig forskarna för att konceptualisera en helt ny väg för att göra acetyl-CoA. Med hjälp av en NREL-utvecklad datormodell kallad PathParser – och toppmoderna genetiska verktyg – uppfann teamet en ny CO₂ -fixeringsväg i en art av gasjäsande bakterier som kallas Clostridium ljungdahlii.

Till slut fungerar matematiken på samma sätt:C1 + C1 =C2.

Men för att komma dit innehåller den ett par parallella reaktioner – en kolfixerande cykel med två hjul som samverkar för att fånga upp CO₂ , transformera den med hjälp av en serie kemiska kugghjul och dirigera om den för att driva acetyl-CoA-generationen framåt (illustreras i figuren ovan). Om den tillsätts till gasjäsande bakterier kan vägen komplettera Wood-Ljungdahl-vägen för att ge acetyl-CoA mer effektivt.

Kan vi jäsa vår väg till koldioxidneutralitet?

Det råder ingen brist på avfallsgaser idag och sannolikt långt in i framtiden. Miljontals ton CO₂ släpps varje år av tung industri – en biprodukt av att förädla biobränslen, tillverka stål eller blanda betong. Forskare undersöker teknik för att fånga och lagra – ännu bättre att använda – CO₂ långt innan det någonsin når atmosfären.

"I samband med global uppvärmning och klimatförändringar söker forskare nya lösningar från mikrobiell metabolism för att omvandla CO₂ till bränslen och kemikalier", sa Xiong. "Gasjäsande bakterier fixar faktiskt CO₂ och representerar ett koldioxidnegativt sätt att möta våra energi- och miljökrav."

Vem är bättre att lära av än gasjäsande bakterier som har fixerat CO₂ med lätthet i miljoner år? + Utforska vidare

Nyupptäckt metabolisk väg använder enstaka kolgaser som råvara