Группа немецких ученых разработала совершенно новый способ производства богатых энергией сложных молекул при помощи особого метаболического пути и электричества. Описанный в исследовании метод позволяет создавать молекулы для хранения энергии и информации — от белков и нуклеиновых кислот до крахмала и гликогена. Подобная технология может положить начало новому подходу к устойчивой, климатически нейтральной биоэкономике.

Подробное описание исследования изложено в статье, опубликованной в журнале Joule.

В последнее время проблема изменения климата становится все более популярной, а для ее решения ученые и политики все чаще обращаются к возобновляемым источникам энергии. В этой связи в первую очередь обычно упоминают добычу энергии с помощью солнечных панелей и ветрогенераторов. Однако одной из основных проблем в достижении так называемого углерод-нейтрального общества остается хранение и последующее использование накопленной чистой электроэнергии.

Свою альтернативу стандартным системам хранения электроэнергии — батареям и аккумуляторам — предложила команда ученых под руководством специалистов из Института наземной микробиологии имени Макса Планка в Марбурге (Германия).

Исследователи разработали искусственный метаболический путь, использующий электричество для производства аденозинтрифосфата (АТФ) — высокоэнергетической биомолекулы, которую затем можно использовать для образования богатых энергией химических соединений, таких как крахмал или гликоген.

Растения и животные используют эти биополимеры для запасания энергии в организме, поэтому ученые предложили их в качестве альтернативного способа хранения электроэнергии.

Метаболический путь, приводящий к синтезу АТФ при помощи электричества и названный авторами работы «циклом ААА», образован всего четырьмя биокатализаторами. Первый и основной фермент, альдегидферредоксиноксидоредуктаза (АОР), снимая электрон с катода, восстанавливает рабочую молекулу пропионата, которая затем участвует еще в трех реакциях, прежде чем возвращается в исходное состояние.

Техническая реализация цикла ААА – метаболического пути, позволяющего получить АТФ из электричества / © Shanshan Luo et al, Joule, 2023

Фермент АОP открыли при изучении генома малоизвестной протеобактерии Aromatoleum aromaticum. Изначально этот микроорганизм привлек интерес ученых из-за своей способности к разложению нефти в бескислородных условиях. В отличие от похожих ферментов других организмов, выбранный АОР обладает высокой активностью при комнатной температуре и относительно стабилен при контакте с кислородсодержащей атмосферой (период полураспада — более часа).

«Никогда ранее не было возможности проводить АТФ-зависимые биохимические реакции с помощью электричества. Цикл ААА теперь может напрямую преобразовывать электрическую энергию в биохимическую. Это позволит синтезировать богатые энергией ценные ресурсы, такие как крахмал, биотопливо или белки, из простых клеточных строительных блоков, а в будущем даже из углекислого газа. Возможно, даже можно будет использовать биологические молекулы для хранения электрической энергии», — пояснил Тобиас Эрб (Tobias Erb), директор Института наземной микробиологии имени Макса Планка и последний соавтор статьи.

Используя цикл ААА, команда исследователей показала возможность синтеза не только молекулы АТФ, но и глюкозо-6-фосфата — важного строительного блока крахмала и гликогена. Более того, разработанный метаболический путь позволил поддерживать энергозатратные процессы синтеза РНК (транскрипцию) и белков (трансляцию), требующие непрерывного поступления АТФ.

Тем не менее ученым предстоит провести множество исследований, прежде чем их идею можно будет задействовать в практических приложениях. Ферментам все еще не хватает стабильности, и они разрушаются под воздействием кислорода, поэтому сегодня преобразуется лишь небольшое количество энергии.