Tiềm năng lớn trong việc điều tiết khí thải nhà kính

Chúng ta không thể nhìn thấy chúng bằng mắt thường nhưng hầu hết thực vật đều phát ra các chất khí dễ bay hơi – isoprenoid – vào khí quyển khi chúng thở và phát triển. Một số thực vật phát ra gần như không có gì; những người khác phát ra kilogam hàng năm.

Tại sao khí thải isoprenoid thực vật thú vị? Isoprenoid đóng góp rất lớn vào lượng hydrocarbon được giải phóng vào khí quyển, nơi chúng có thể được chuyển đổi thành khí nhà kính mạnh, ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu. Trên thực tế, người ta đã ước tính rằng isoprenoid chuỗi ngắn chiếm hơn 80% tất cả các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được phát ra từ tất cả các sinh vật sống, tổng cộng khoảng 650 triệu tấn carbon mỗi năm.

“Chúng tôi đã phát hiện ra một cách mới mà thực vật điều chỉnh lượng isoprenoid dễ bay hơi mà chúng thải vào khí quyển, từ lâu vẫn chưa được biết đến. Một số thực vật phát ra rất nhiều, trong khi những loài rất giống nhau không phát ra chúng. Đây là một nghiên cứu cơ bản” – Nhà nghiên cứu cao cấp Mareike Bongers từ Trung tâm Nền tảng sinh học Novo Nordisk và Úc, tác giả đầu tiên đứng sau một nghiên cứu mới tại Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ nano, Đại học Queensland được công bố gần đây trên eLife.

Cây trồng phát ra nhiều isopren, ví dụ như cây dầu cọ, cây vân sam, được trồng để lấy gỗ và cây dương, được trồng để lấy gỗ và nhiên liệu sinh học. Với kiến ​​thức này, về nguyên tắc, nông dân có thể tối ưu hóa đất lâm nghiệp và diện tích canh tác bằng cách trồng ít cây phát xạ cao hơn và nhiều cây phát thải hơn.

Tuy nhiên, cần phải nói rằng chúng ta không biết chắc chắn rằng tất cả các tác động của những phát thải này là xấu, cần nhiều nghiên cứu hơn về điều đó. Nhưng rõ ràng là nhiều tác động có hại của phát thải isoprenoid xảy ra khi chúng phản ứng với Các chất gây ô nhiễm không khí phổ biến, ảnh hưởng đến sự hình thành khí nhà kính và chất lượng không khí. Do đó, các đồn điền lớn với lượng khí thải cao đặc biệt rắc rối trong vùng lân cận ô nhiễm không khí công nghiệp hoặc thành phố. Vì vậy, giảm ô nhiễm là một cách khác để giải quyết vấn đề.

Các nhà nghiên cứu đằng sau nghiên cứu này hiện đang xem xét khả năng sử dụng kiến ​​thức mới này trong công nghệ sinh học ứng dụng. Các nhà nghiên cứu thực sự đã phát hiện ra cơ chế điều tiết mới, bởi vì họ đã cố gắng chế tạo vi khuẩn E. coli để sản xuất isoprenoid sau khi tìm kiếm, có thể thay thế nhiều hóa chất nhiên liệu hóa thạch nếu chúng có thể được sản xuất với giá rẻ hơn.

Vì vậy, trong khi các gen thực vật biến thành E. coli để cải thiện sản xuất isoprenoid, các nhà nghiên cứu đã nhận thức được cơ chế điều hòa dựa trên thực vật. Khi E. coli được thiết kế gen thực vật cho một loại enzyme gọi là HDR, họ đã tạo ra hai hóa chất quan trọng ở các tỷ lệ khác nhau và điều này ảnh hưởng đến lượng isopren có thể được sản xuất.

Tiết lộ này rất hữu ích trong công nghệ sinh học ứng dụng, bởi vì isoprenoid có thể biến thành các sản phẩm như cao su. GoodYear đã sản xuất lốp xe ô tô làm từ isoprene sinh học. Hơn nữa, những phát hiện cũng có thể cải thiện việc sản xuất các isoprenoid monoterpene, là nhiên liệu phản lực tuyệt vời vì chúng rất đậm đặc năng lượng.

Điều này đặc biệt thú vị từ góc độ bền vững, bởi vì người ta không dự đoán rằng máy bay có thể được cung cấp nhiên liệu từ bất cứ thứ gì khác ngoài nhiên liệu lỏng, trái ngược với vận tải mặt đất, có thể là điện.

Cuối cùng, isoprenoid cũng được sử dụng làm hương liệu và hương liệu trong nước hoa và mỹ phẩm, và chúng rất quan trọng như là hợp chất hoạt động trong một số loại thuốc, ví dụ như thuốc chống sốt rét artemisinin hoặc taxadiene, từ đó thuốc Taxol được sản xuất.

Ngày nay, hầu hết các phòng thí nghiệm và các công ty công nghệ sinh học sản xuất isoprenoid đều sử dụng con đường từ nấm men, vì năng suất đạt được đã cao hơn nhiều so với E.coli. Nhưng con đường được sử dụng bởi E. coli và thực vật có năng suất lý thuyết cao hơn, có nghĩa là nhiều isoprenoid có thể được tạo ra từ cùng một lượng đường trong E.coli so với men. Do đó, cố gắng tối ưu hóa E.coli để sản xuất isoprenoid có ý nghĩa thương mại tốt.

Nhóm nghiên cứu đã so sánh tám gen HDR thực vật khác nhau và một gen HDR vi khuẩn lam trong E.coli. Kết quả tốt nhất thu được với các gen từ hạt đào, cây dương và hạt thầu dầu. Vì đây là một bằng chứng về khái niệm, nhóm nghiên cứu chỉ sản xuất 2 mg isoprene cho mỗi lít nước dùng tế bào. Nhưng với những nỗ lực tối ưu hóa kỹ thuật và lên men hơn nữa, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ cải thiện việc sản xuất isopren ở E. coli bằng hệ thống này.

Các nhà khoa học thấy rằng việc lựa chọn enzyme thực vật phù hợp đã tạo ra sự khác biệt lớn cho việc sản xuất isopren ở E. coli. Vì vậy, cách tiếp cận ‘học hỏi từ thiên nhiên’ của họ về cách một số thực vật trở nên rất tốt trong việc phát ra isoprenoid thực sự giúp chúng ta thiết kế các nhà máy sản xuất tế bào hiệu quả hơn.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Kỹ thuật Đan Mạch . Bản gốc được viết bởi Anne Wärme Lykke, Anders sterby Mønsted. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Mareike Bongers, Jordi Perez-Gil, Mark P Hodson, Lars Schrzigbers, Tune Wulff, Morten OA Sommer, Lars K Nielsen, Claudia E Vickers. Sự thích nghi của hydroxymethylbutenyl diphosphate reductase cho phép sản xuất isoprenoid dễ bay hơi . eLife , 2020; 9 DOI: 10.7554 / eLife.48685