Clostridium ljungdahlii, bacteria care poate transforma dioxidul de carbon în combustibil

Microorganismele acetogene (bacterii care generează acetat, CH₃COO⁻) drept produs final al respirației sau fermentației anaerobe, care pot fermenta compuși gazoși, au capacitatea de a transforma compușii cu un singur atom de carbon (C₁, cum ar fi dioxidul și monoxidul de carbon) în metabolitul cu doi atomi de carbon (C₂), acetil-CoA (acetil coenzima A) și, ulterior, pot transforma materiile prime glucidice în acetil-CoA, cu emisii minime de dioxid de carbon. Într-un studiu publicat în revista Nature Synthesis, un grup de cercetători au reușit să proiecteze schema unui căi duble prin care are loc sinteza de acetil-CoA (diferite de căile deja cunoscute de fixare ale carbonului), care are drept metabolit final C₂. Această cale produce o moleculă de acetil-CoA prin fixarea a doi echivalenți de CO₂, utilizând trei module funcționale care intervin, de-a lungul procesului, succesiv: fixarea carbonului, gluconeogeneza și glicoliza anaerobă.

Viabilitatea proceselor descrise a fost examinată prin analize in silico (simulare computerizată), termodinamice și cinetice. Ulterior, prototipul acestei căi a fost implementat într-o bacterie care poate fermenta gaze de sinteză, Clostridium ljungdahlii, deoarece exprimă o enzimă din clasa fosfocetolazelor și poate funcționa cu alte enzime native din acetogenul gazdă. Această cale metabolică de conversie a carbonului este posibilă în diferite condiții de creștere a bacteriei și este independentă de calea Wood-Ljungdahl de fixare a dioxidului de carbon. În esență, acest studiu raportează posibilitatea de a îmbunătăți conversia carbonului utilizând ciclul dublu de reducere a acetil-CoA și impactul potențial al echilibrului redox de la nivelul gazdei bacteriene, pentru implicații industriale cum ar fi posibilitatea de a obține combustibil sau alte procese care presupun fermentarea compușilor gazoși. 

Această capacitate extraordinară de a fermenta și transforma dioxidul de carbon în energie care poate fi folosită (energie chimică) este atent studiată de către oamenii de știință, care consideră situația a fi „o mină de aur” în ceea ce privește posibilitatea de a fi valorificată drept sursă vitală și sustenabilă de energie. Prin aceste persoane se numără și cercetătorul Wei Xiong, care este profesor la National Renewable Energy Laboratory (NREL) și care consideră că bacteriile care pot fermenta gazele „ne oferă lecții despre transformarea gazelor reziduale, cum ar fi dioxidul de carbon, în combustibili sustenabili”. „Eliminarea și conversia CO₂-ului prezintă un interes mondial, deoarece dioxidul de carbon este cel mai important gaz cu efect de seră care captează și reține căldura în atmosferă. Căile naturale de fixare ale CO₂-ului nu mai pot face față în acest moment, motiv pentru care există un interes deosebit în proiectarea și dezvoltarea de noi căi «artificiale» de fixare a acestui compus, ajutând în același timp bacteriile să sintetizeze compuși cheie ai biocombustibililor, cum ar fi acetil-CoA”.

Acetil-CoA este un ingredient principal folosit în fabricarea mai multor substanțe chimice care, ulterior, sunt integrate în compoziția combustibililor – acizi grași, butanol, izopropanol. După cum Xiong detaliază în lucrarea publicată, el și colegii săi au arătat cum poate fi îmbunătățită producția precursorului de combustibil (acetil-CoA), folosind o nouă cale în bacteriile care pot fermenta gaze în mod natural. În acest fel, ei susțin că există posibilitatea de a utiliza o gamă variată de metode biologice, sustenabile, pentru a capta și converti CO₂-ul a scară industrială. În natură, fermentarea gazelor de către bacterii urmează o suită liniară de reacții metabolice, cunoscută sub numele de calea Wood-Ljungdahl. Pe scurt, enzimele implicate în această cale „scot” carbonul din CO₂ folosind energia electrică provenită de la H sau CO aflat în imediata apropiere, prin transferul de electroni. Ulterior, atașează acest carbon la o moleculă mai mare, prezentă deja în bacterii – coenzima A (CoA). Prin atașarea a două molecule de carbon la CoA, aceasta devine mult mai ușor accesibilă pentru alte reacții.

Rezultatul final îl reprezintă acetil-CoA, o moleculă mult mai bogată în energie, cu un număr mai mare de atomi de carbon, care susține creșterea și dezvoltarea bacteriei respective. Acetil-CoA este, de asemenea, un precursor foarte la îndemână când vine vorba de a produce, în masă, biocombustibili valoroși din punct de vedere energetic și cu impact minim asupra mediului. Cu toate acestea, calea Wood-Ljungdahl, fără a suferi modificări, nu are randament îndeajuns de bun pentru a fi utilizată la nivel industrial, iar matematica simplă din spatele reacției este, de fapt, rezultatul unei suite complexe de reacții chimice, greu de analizat și manipulat de către oamenii de știință. „«Ingineria» acestei căi este uimitoare, iar îmbunătățirea eficienței ei este o provocare extraordinară, în primul rând din cauza complexității enzimelor implicate în calea metabolică”, a explicat Xiong.

Pentru a ocoli situația în care ar fi trebui să îmbunătățească, în mod direct, calea metabolică deja cunoscută, Wood-Ljungdahl, cercetătorii și-au propus să conceptualizeze ideea și, de fapt, să creeze o cale complet nouă care ar avea același rezultat dorit: producerea de acetil-CoA. Ei au reușit să folosească un model computerizat dezvoltat de NREL și numit PathParser, precum și instrumente genetice de ultimă generație, inventând astfel o nouă cale de fixare a CO₂-ului, utilizând bacteria care poate transforma dioxidul de carbon în combustibil – Clostridium ljungdahlii. Finalitatea matematică a căii metabolice este aceeași precum cea naturală: C₁+C₁ = C₂, însă pentru a putea face acest lucru, calea încorporează o pereche de reacții paralele – un mecanism care să asigure fixarea și transformarea CO₂, cu două componente sub formă de roți, plus o serie de angrenaje chimice care îl redirecționează în vederea transformării sale în acetil-CoA. Dacă acest model teoretic ar putea fi introdus în bacterii, ar putea completa cu ușurință calea Wood-Ljungdahl.

În momentul de față, milioane de tone de CO₂ sunt eliberate în atmosferă în fiecare an din cauza proceselor industriale de producție. De asemenea, este un produs secundar semnificativ rezultat în urma procesului de fabricare a oțelului, amestecare a betonului, de rafinare a tuturor tipurilor de combustibili. Oamenii de știință explorează acest domeniu, încearcă să descopere tehnologii care ar putea ajuta la captarea și stocarea acestui compus. În studiul de față, cercetătorii au dus ideea la un cu totul alt nivel: de ce să nu utilizăm, de fapt, dioxidul de carbon, chiar înainte ca acesta să ajungă în atmosferă? „În contextul încălzirii globale și al schimbărilor climatice din ce în ce mai evidente, oamenii de știință caută noi soluții cu ajutorul cărora să inhibe impactul negativ asupra mediului înconjurător; metabolismul microorganismelor ne permite, fiabil, să transformăm CO₂-ul în combustibili și chiar alte substanțe chimice. De altfel, de la cine să învățăm mai bine, dacă nu de la bacteriile care fixează gazele și care au făcut acest lucru timp de milioane de ani?”