Carbon-Convergent Co-utilization of Ethanol and CO2 Enables Efficient 3-Hydroxypropionic Acid Biosynthesis in Komagataella phaffii
यह अध्ययन एक इंजीनियर *कोमगाटाएला फाफी* (Komagataella phaffii) में एक कार्बन-अभिसारी रणनीति स्थापित करता है जो 127.04 ग्राम/लीटर के रिकॉर्ड-तोड़ 3-हाइड्रॉक्सीप्रोपियोनिक एसिड टिटर प्राप्त करने के लिए इथेनॉल और CO2 का सह-उपयोग करता है, जो रासायनिक CO2 न्यूनीकरण को सूक्ष्मजैविक जैवसंश्लेषण के साथ जोड़ने की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करता है।
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उपयोगी रसायनों को शून्य से (हवा से) बनाने की खोज लंबे समय से टिकाऊ उद्योग के लिए एक अत्यंत महत्वपूर्ण लक्ष्य रही है। कार्बन डाइऑक्साइड पृथ्वी पर सबसे प्रचुर मात्रा में उपलब्ध कार्बन स्रोत है, फिर भी यह रासायनिक रूप से बहुत जिद्दी है। इसके परमाणु एक अत्यधिक ऑक्सीकृत अवस्था में बंद होते हैं, जिसका अर्थ है कि उन्होंने अपनी अधिकांश ऊर्जा और इलेक्ट्रॉन त्याग दिए हैं। इस निष्क्रिय गैस को ईंधन या प्लास्टिक जैसे जटिल, ऊर्जा-समृद्ध अणुओं में बदलने के लिए, प्रकृति या मशीनों को भारी मात्रा में ऊर्जा और 'रिड्यूसिंग पावर' (अपचयन शक्ति) प्रदान करनी पड़ती है, जो अनिवार्य रूप से वे इलेक्ट्रॉन हैं जिनकी आवश्यकता नए बंधन बनाने के लिए होती है। जबकि रासायनिक कारखाने गर्मी और दबाव का उपयोग करके इस रूपांतरण को मजबूर कर सकते हैं, वे अक्सर दक्षता और चयनात्मकता के मामले में संघर्ष करते हैं। दूसरी ओर, जैविक प्रणालियाँ कुशल रसायनशास्त्री हैं जो उच्च सटीकता के साथ जटिल संरचनाएँ बना सकती हैं, लेकिन उन्हें आमतौर पर ऐसा करने के लिए चीनी जैसे समृद्ध, अपचयित खाद्य स्रोतों की आवश्यकता होती है। चुनौती इन दोनों दुनियाओं के बीच के अंतर को पाटने में है: एक तरीका खोजना जिससे सूक्ष्मजीव को कार्बन डाइऑक्साइड से प्राप्त एक सरल, अपचयित मध्यवर्ती (इंटरमीडिएट) खिलाया जा सके, जिससे कोशिका बिना महंगी चीनी की आवश्यकता के मूल्यवान उत्पाद बनाने का काम पूरा कर सके।
वेस्टलेक यूनिवर्सिटी और झेजियांग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने इथेनॉल का उपयोग करके इस समस्या का एक चतुर समाधान खोजा है। उन्होंने एक सामान्य यीस्ट (खमीर), कोमागटाटेला फाफी (Komagataella phaffii) को इंजीनियर किया ताकि वह इथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड को एक साथ खा सके, और उन्हें 3-हाइड्रॉक्सीप्रोपियोनिक एसिड में बदल सके, जो एक बहुमुखी रसायन है जिसका उपयोग बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक से लेकर एक्रिलिक फाइबर तक सब कुछ बनाने में किया जाता है। टीम ने पाया कि इथेनॉल इस कार्य के लिए एक आदर्श "नेक्सस मॉलिक्यूल" (सेतु अणु) है। अन्य संभावित मध्यवर्ती अणुओं के विपरीत, इथेनॉल दो कार्बन परमाणुओं और ऊर्जा की एक अच्छी आपूर्ति को वहन करता है। जब यीस्ट इथेनॉल का सेवन करता है, तो वह इसे दो-कार्बन वाली इकाई, जिसे एसिटाइल-CoA (acetyl-CoA) कहा जाता है, में तोड़ देता है, जो नए रसायन के लिए आधार (बैकबोन) के रूप में कार्य करती है। महत्वपूर्ण रूप से, यह टूटने की प्रक्रिया उस ऊर्जा और इलेक्ट्रॉनों को भी उत्पन्न करती है जिसकी आवश्यकता कोशिका को कार्बन डाइऑक्साइड से तीसरा कार्बन परमाणु पकड़ने और उसे बैकबोन से जोड़ने के लिए होती है। यह एक सुव्यवस्थित "दो प्लस एक बराबर तीन" वाले मार्ग का निर्माण करता है जहाँ यीस्ट इथेनॉल के दो कार्बन को हवा से एक कार्बन के साथ जोड़कर तीन-कार्बन वाला उत्पाद बनाता है।
इसे सफल बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को यीस्ट के आंतरिक चयापचय (मेटाबॉलिज्म) को फिर से व्यवस्थित करना पड़ा। उन्होंने यह देखने के लिए छह अलग-अलग यीस्ट स्ट्रेन का परीक्षण किया कि कौन सा स्ट्रेन एकमात्र भोजन के रूप में इथेनॉल को सबसे अच्छी तरह संभाल सकता है। उन्होंने पाया कि स्ट्रेन कोमागटाटेला फाफी GS115 सबसे मजबूत था, जो इथेनॉल का तेजी से उपभोग करता था और जहरीले उप-उत्पादों (बायप्रोडक्ट्स) में फंसे बिना इसे कोशिका द्रव्यमान (सेल मास) में परिवर्तित कर देता था। हालांकि, केवल यीस्ट को इथेनॉल खिलाना अंतिम उत्पाद के उच्च स्तर के उत्पादन के लिए पर्याप्त नहीं था। शोधकर्ताओं ने सेल की एसिटेट को सक्रिय करने की क्षमता में एक बाधा (बॉटलनेक) की पहचान की, जो इथेनॉल के टूटने वाले उत्पादों को अंतिम उत्पाद के लिए आवश्यक बिल्डिंग ब्लॉक्स में बदलने के लिए आवश्यक एक कदम है। उन्होंने इस समस्या को हल करने के लिए एक विशिष्ट एंजाइम, एसिटाइल-CoA सिंथेटेस (acetyl-CoA synthetase) को अधिक कुशलता से काम करने के लिए इंजीनियर किया। कंप्यूटर मॉडलिंग और प्रयोगशाला परीक्षणों के संयोजन के माध्यम से, उन्होंने इस एंजाइम का एक उत्परिवर्तित (म्यूटेटेड) संस्करण बनाया जो एसिटेट को बहुत तेज़ी से संसाधित कर सकता था, जिससे मध्यवर्ती रसायनों का जमाव रुक गया जो अन्यथा उत्पादन को रोक देता।
इंजन को ट्यून करने के बाद, टीम ने कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने के लिए आवश्यक आनुवंशिक तंत्र पेश किया। उन्होंने एक ऐसा एंजाइम जोड़ा जो एक आणविक क्लैंप (पकड़ने वाले यंत्र) की तरह कार्य करता है, जो हवा से एक कार्बन परमाणु को पकड़ता है और उसे इथेनॉल से प्राप्त दो-कार्बन बैकबोन पर चिपका देता है। उन्होंने ऊर्जा वाहकों की आपूर्ति को संतुलित किया और उन प्रतिस्पर्धी मार्गों को हटाया जो संसाधनों को वांछित उत्पाद से दूर मोड़ सकते थे। परिणाम एक अत्यधिक अनुकूलित स्ट्रेन था, जिसका नाम LT-28 रखा गया, जिसका परीक्षण एक नियंत्रित किण्वन (फरमेंटेशन) टैंक में किया गया। इस वातावरण में, यीस्ट ने प्रति लीटर तरल में 127.04 ग्राम 3-हाइड्रॉक्सीप्रोपियोनिक एसिड का उत्पादन करने के लिए इथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड का उपभोग किया। यह किसी सूक्ष्मजीव द्वारा शून्य से इस रसायन को बनाने का अब तक का उच्चतम दर्ज स्तर है, जो चीनी या ग्लिसरॉल पर निर्भर पिछले प्रयासों से कहीं अधिक है। यह साबित करने के लिए कि अंतिम उत्पाद में कार्बन परमाणुओं का सटीक स्रोत क्या है, शोधकर्ताओं ने भारी आइसोटोप (heavy isotopes) से जुड़ी एक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने यीस्ट को भारी कार्बन से बने इथेनॉल और भारी कार्बन से बनी कार्बन डाइऑक्साइड को अलग-अलग और एक साथ खिलाया। परिणामों ने दिखाया कि अंतिम रसायन वास्तव में एक हाइब्रिड था, जिसमें दो कार्बन इथेनॉल से और एक कार्बन डाइऑक्साइड से आए थे, जिससे पुष्टि हुई कि "दो प्लस एक" की रणनीति ने इच्छित रूप से काम किया।
इस दृष्टिकोण का अंतिम परीक्षण यह देखना था कि क्या यह वास्तविक औद्योगिक कचरे के साथ काम कर सकता है। शोधकर्ताओं ने एक रासायनिक रिएक्टर को, जो कार्बन डाइऑक्साइड को इथेनॉल में परिवर्तित करता है, सीधे अपने बायो-रिएक्टर से जोड़ दिया। इथेनॉल को पहले शुद्ध करने के बजाय, उन्होंने इथेनॉल और अन्य उप-उत्पादों वाले कच्चे, बिना परिष्कृत तरल प्रवाह को सीधे यीस्ट में डाल दिया। इंजीनियर किए गए स्ट्रेन ने इस मिश्रण को अच्छी तरह से संभाला, और इथेनॉल को उच्च दक्षता के साथ लक्षित रसायन में बदल दिया। इसने एक पूर्ण, एंड-टू-एंड प्रक्रिया को प्रदर्शित किया जहाँ कार्बन डाइऑक्साइड को पहले एक उत्प्रेरक द्वारा तरल ईंधन मध्यवर्ती में बदला जाता है, और फिर तुरंत एक जीवित कोशिका द्वारा एक उच्च-मूल्य वाले रसायन में उन्नत किया जाता है। इस एकीकृत प्रणाली का आर्थिक विश्लेषण बताता है कि यह वित्तीय रूप से व्यवहार्य हो सकता है, जिसमें रासायनिक निर्माण के कार्बन फुटप्रिंट को काफी कम करने की क्षमता है। नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करके प्रारंभिक रूपांतरण को संचालित करने और जटिल संयोजन के लिए जीव विज्ञान पर भरोसा करके, यह विधि एक ऐसे भविष्य की ओर मार्ग प्रशस्त करती है जहाँ औद्योगिक रसायन जीवाश्म ईंधन के बजाय उस हवा से बनाए जाएंगे जिसे हम सांस लेते हैं।
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