Bakterie Escherichia coli nie są zbyt wybredne. Mogą żywić się większością kwasów organicznych. Mogą także wykorzystywać najprostszy z nich, kwas mrówkowy. Rozkładają go na dwutlenek węgla i wodór i pozyskują z tego procesu energię. Badaczom udało się zmusić je do robienia czegoś dokładnie odwrotnego – i to dzięki prostej zmianie jednego metalu na inny.

Do rozkładania kwasu mrówkowego bakterie E. coli wykorzystują jeden konkretny enzym - dehydrogenazę mrówczanową. Enzymy to związki znacznie przyspieszające reakcje chemiczne, które bez nich zachodziłyby zbyt powoli albo wymagały zbyt wiele energii. Kluczową rolę w dehydrogenazie rozkładającej kwas mrówkowy odgrywa atom metalu – molibdenu.

Brytyjscy badacze odkryli, że zamiana molibdenu na inny metal - wolfram - sprawia, że bakterie zaczynają działać odwrotnie. Zamiast rozkładać kwas mrówkowy, zaczynają go syntetyzować z CO2 i wodoru.

Jak zmusić bakterie do pochłaniania dwutlenku węgla

Żeby oszukać bakterie, naukowcy umieścili je w warunkach, gdzie molibdenu nie było, za to wolframu było pod dostatkiem. – Nie było to trudne, bo E. coli nie odróżniają tych metali – mówi szef zespołu badaczy dr Frank Sargent.

Bakterie, które wyhodowano w środowisku bogatym w wolfram, badacze umieścili w bioreaktorze. W nim miały pod dostatkiem dwutlenku węgla i wodoru. To zablokowało enzym tak, że może działać tylko na „wstecznym biegu”. Bakterie zaczęły wówczas produkować kwas mrówkowy - tłumaczy dr Sargent.

Jak mówi, na ten pomysł wpadł, gdy czytał o początkach życia na Ziemi. Miliardy lat temu nie było w atmosferze tlenu, dużo zaś było w niej właśnie CO2 i wodoru. To właśnie w takich warunkach powstawały pierwsze bakterie. Musiały więc być wyposażone w mechanizmy, które pozwalają im z tych gazów sprawnie syntetyzować związki organiczne.

Nie spodziewano się jednak, że prosta zamiana jednego metalu na inny sprawi, że bakterie zaczną zachowywać się jak miliardy lat temu i pochłaniać dwutlenek węgla.

Dzięki bakteriom z CO2 wyprodukujemy paliwa i tworzywa sztuczne

– Cały świat pojmuje, jak ważna jest walka ze zmianami klimatu. Rozwijane są odnawialne źródła energii i metody zmniejszania emisji dwutlenku węgla. Biologia i mikrobiologia mają w zanadrzu ciekawe rozwiązania – mówi dr Sargent.

Tłumaczy, że z kwasu mrówkowego można wytworzyć paliwa, tworzywa sztuczne i cenne związki organiczne. Kwas mrówkowy można też teoretycznie wykorzystać w ogniwach paliwowych. Dzięki temu można by pomyśleć o „ekonomii cyklu zamkniętego”, w której wytwarzany CO2 jest z powrotem wykorzystywany, a nie uwalniany do atmosfery.

Kwas mrówkowy składa się z atomu węgla oraz dwóch atomów tlenu i dwóch atomów wodoru. Jednak połączenie ich w cząsteczkę kwasu mrówkowego wymaga wysokiej temperatury i energii.

„Do czasu wynalezienia odpowiednich katalizatorów jest to proces ekonomicznie nieopłacalny” - twierdziła jeszcze kilka lat temu wielka encyklopedia chemii przemysłowej (”Ullmann's Encyclopedia of Chemical Industrial Chemistry”, 2005). Teraz to się zmieni – dzięki zmodyfikowanym bakteriom E. coli.

Źródła: American Society for Microbiology, Applied and Environmental Microbiology.