Idag kommer råvarorna för praktiskt taget alla industriprodukter, allt från mediciner till bildäck, från icke-förnybara kemiska råvaror. De produceras i fossila bränsleraffinaderier som släpper ut växthusgaser, som koldioxid. Men framtida kemiska fabriker kan invertera denna dynamik och tillverka vissa föreningar med växter som naturligt konstruerar komplexa kemikalier genom att dra koldioxidmolekyler från luften.

Tomokazu Shirai utnyttjar biologins inhemska kemiska kapacitet och omdirigerar dem så att växter och mikrober rent producerar de typer av industriella kemikalier som för närvarande härrör från krackning av råolja. Den syntetiska biologen är senior forskare vid Cell Factory Research Team och gick med i RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS, tidigare RIKEN Biomass Engineering Program) 2012. Hans team har redan skapat världens första mikrober som tar glukos och omvandlar det till maleinsyra eller 1,3-butadien. Dessa värdefulla industrikemikalier används i otaliga produkter, inklusive polymerer och gummin.

Men detta är bara det första steget för CSRS syntetiska biologer. Dessa konstruerade mikrober måste matas med socker för att producera målkemikalierna, men om växter används som värdorganism kommer deras förmåga att assimilera koldioxid direkt från atmosfären resultera i kolnegativ produktion av många värdefulla kemikalier.

Datoråldrad design

Syntetisk biologi är ett framväxande forskningsområde som kombinerar kemi, biologi och ingenjörskonst för att omarbeta målorganismernas molekylproducerande metabola vägar så att de producerar värdefulla kemikalier. CSRS-forskare har expertis inom katalytisk kemi och kemisk biologi, men också många som är specialiserade på storskalig datavetenskap, beräkning och simulering och AI.

Användningen av AI representerar ett avsteg från de traditionella sätten att göra syntetisk biologi. Men denna beräkningsmetod har varit nyckeln till ett samarbete med däcktillverkaren Yokohama Rubber och Zeon Corporation. Det gemensamma företaget har designat och skapat E. coli-mikrober som tar glukos och omvandlar det till 1,3-butadien, en viktig syntetisk kemikalie som används för att tillverka däck.

Det första steget i ett syntetiskt biologiprojekt är att analysera den potentiella värdens metaboliska vägar för att identifiera punkter som kan avledas för att producera den önskade kemikalien. Eventuella modifieringar får inte döda eller avsevärt försämra värdens tillväxt.

Sedan 2012 har Shirai utvecklat och förfinat simuleringsverktyget BioProV för att navigera i detta komplexa biokemiska utrymme. BioProV är en AI utbildad i klassificering av metabola vägar och enzymreaktionsmönster som analyserar en organisms naturliga metaboliska vägar. Den föreslår modifieringar av vägen för att producera en målkemikalie utan att påverka värdens totala metabolism. Detta in silico-verktyg möjliggör design av artificiella metaboliska vägar och utvärdering av deras genomförbarhet.

Hans team identifierade att E. coli naturligt producerar en molekyl som kallas mukonsyra, som kan omvandlas till 1,3-butadien i två enzymatiska reaktioner. För att ge mikroben kapacitet att utföra de två saknade stegen, konstruerade Shirai och hans kollegor enzymer för den nödvändiga kemiska omvandlingen 2021.

För att göra detta identifierade de kända enzymer som kunde katalysera relaterade reaktioner och modifierade dem sedan för de nya reaktionerna. Beräkningssimulering var nödvändig för att omdesigna och omforma kandidatenzymernas aktiva platser för att acceptera det nya substratet. Teamet designade rationellt enzymer som uppnådde en 1 000-faldig ökning i aktivitet jämfört med det ursprungliga vildtypsenzymet.

DNA-koderna för dessa förbättrade enzymer infogades i E. coli-genomet och nu leds 1,3-butadienen som produceras av dessa konstruerade mikrober lätt från deras bioreaktor. Projektets kommersiella partners skalar för närvarande upp processen för att producera de kilogram kvantiteter 1,3-butadien som behövs för att tillverka och utvärdera däck tillverkade med hjälp av den biologiskt framställda kemikalien.

Kemiska företag sysselsätter många kemister, men få biologiska forskare, så att ansluta till och samarbeta med dessa företag för att översätta syntetisk biologi till den verkliga världen är ett stort steg.

Träslöjd

Ett hållbart alternativ till traditionell kemisk produktion som härrör från fossila bränslen är att ta material som för närvarande betraktas som avfall och kemiskt eller biologiskt omvandla dem till värdefulla produkter.

De vedartade stjälkar och stjälkar av växter som blir över efter skörden av frukt och spannmål är en global avfallsström. Huvudkomponenten i dessa oätliga växtdelar är lignin, en seg biopolymer. Lignin är den vanligaste föreningen från växter och en av de vanligaste föreningarna på jorden. Det kan hämtas från jordbruksavfall och är den billigaste och mest hållbara kolkällan att tillverka förnybara bränslen och kemikalier med. Att använda det som råvara för högvärdiga kemikalier kan vara mycket fördelaktigt för samhället.

Lignins komplexa kemiska struktur gör det svårt att bryta ner och återmontera till nya föreningar. Till exempel kan en värmebehandling som kallas snabb pyrolys bryta ner lignin till subenheter som kallas kanelmonomerer. Dessa molekyler har en dubbelbindning som potentiellt skulle kunna användas för att rekombinera monomererna till avancerade funktionella polymerer. Men sidokedjor runt dubbelbindningen hindrar kemisk reaktivitet, vilket hindrar ansträngningarna att göra polymerer från detta bioavfall.

CSRS-forskaren Hideki Abe utvecklade nyligen en metod för att övervinna denna begränsning. Istället för syntetisk biologi använde Abe organokatalys för att klippa ihop kanelmonomerer. Organokatalys är en hållbar kemiteknik, erkänd av 2021 års Nobelpris i kemi, som använder små organiska molekyler som katalysatorer istället för traditionella katalysatorer baserade på sällsynta eller giftiga metaller.

De resulterande akrylhartserna visade hög hållfasthet och motståndskraft mot värme och kemisk nedbrytning, vilket tyder på ett brett spektrum av potentiella användningsområden, inklusive för bilkaross och motorkomponenter.

Seeding framtida tillväxt

En annan avfallsprodukt i riklig tillgång är atmosfärisk koldioxid.

För Cell Factory Research Team är nästa stora utmaning att använda syntetisk biologi för att utveckla växter som kan absorbera den koldioxiden från atmosfären och förvandla den till industriellt viktiga kemikalier.

Jämfört med encelliga mikrober är flercelliga högre organismer som växter mycket mer komplexa i deras genom och metabola vägar. Detta gör dem betydligt mer utmanande för syntetiska biologer att arbeta med. Att framgångsrikt omarbeta mikrobernas metaboliska vägar har gett utmärkt träning mot det slutliga målet att använda växter som värdar. Genom att samarbeta med CSRS-forskare specialiserade på växtvetenskap, översätter Cell Factory Research Team sitt banbrytande arbete inom mikrober till insikter som kan påskynda växtcellssyntetisk biologi, särskilt för produktionen av terpenoider som används i mediciner och aromater.

När den japanska regeringen nyligen tillkännagav sitt mål att vara koldioxidneutral år 2050, är ​​högre anläggningar som kan fixera koldioxid med energi från solljus det absoluta ideal för framtida kemisk produktion.

Relaterad forskning har publicerats i Nature Communications och Naturmaterial över åren. + Utforska vidare

Mikrober konstruerade för att omvandla socker till en kemikalie som finns i däck