Ομάδα ερευνητών στο ΕΚΕΒΕ Φλέμινγκ εντόπισε ότι το γονιδίωμα σκληραγωγημένων μικροοργανισμών που ζουν σε αφιλόξενα περιβάλλοντα κρύβει πρωτεΐνες που συνεισφέρουν σημαντικά στη δέσμευση του CO 2 από τα βιομηχανικά καυσαέρια.
Το σύνολο των πρωτεϊνών και των ενζύμων μικροοργανισμών που έχουν προσαρμοστεί εξελικτικά να ευδοκιμούν σε ακραίες συνθήκες, όπως καυτές πηγές, αλμυρές λίμνες και ηφαίστεια, παρουσιάζει ανθεκτικότητα.
Μια ομάδα Ελλήνων ερευνητών, με επικεφαλής τον Δρα Σκρέτα στο Ερευνητικό Κέντρο Βιοϊατρικών Επιστημών «Αλέξανδρος Φλέμινγκ» (ΕΚΕΒΕ Φλέμινγκ) στη Βάρη, κατάφεραν, με τη χρήση εργαλείων μεταγονιδιωματικής ανάλυσης-μελέτης του συνόλου του γενετικού υλικού σε έναν βιότοπο χωρίς να απαιτείται η καλλιέργεια των μικροοργανισμών - να εντοπίσουν ένα σούπερ ανθεκτικό ένζυμο, βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος, σε ένα δείγμα που συλλέχθηκε από μια θερμοπηγή στην περιοχή Kirishima της Ιαπωνίας.
Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες, «σαρώνοντας» εκατομμύρια γονίδια από βάσεις μεταγονιδιωματικών δεδομένων ανοιχτής πρόσβασης, εντόπισαν μια εξαιρετικά σταθερή καρβονική ανυδράση, την CA-KR1, ένα πολύ ανθεκτικό ένζυμο με μεγάλη εξειδίκευση, που προάγει τη διάλυση και δέσμευση του CO 2 στο νερό και που αντέχει σε υψηλή θερμοκρασία.
Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2) που περιέχεται στα βιομηχανικά καυσαέρια συμβάλλει σημαντικά στην υπερθέρμανση του πλανήτη, καθώς η συσσώρευσή του στην ατμόσφαιρα οδηγεί στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. H βιομηχανική απανθρακοποίηση (απομάκρυνση ή μείωση του άνθρακα από τα βιομηχανικά καυσαέρια) μέσω τεχνολογιών δέσμευσης, χρήσης και αποθήκευσης CO 2 αποτελεί μια από τις πιο βιώσιμες προσεγγίσεις για τη μείωση του και κατ’ επέκταση την προστασία του περιβάλλοντος.
Οι διαθέσιμες τεχνολογίες δέσμευσης CO 2 από τα βιομηχανικά καυσαέρια, παρότι είναι αποτελεσματικές, έχουν αρνητικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα, γιατί αφενός χρησιμοποιούν τοξικές ενώσεις (όπως οι αμίνες) και αφετέρου είναι ενεργοβόρες. Οι δε, οικολογικές τεχνολογίες, όπως η δέσμευση σε υδατικό διάλυμα θερμού ανθρακικού καλίου (hot potassium carbonate, HPC), υστερούν σε απόδοση συγκριτικά με τις υπάρχουσες.
Μια νέα «πράσινη» τεχνολογία δέσμευσης
Μια νέα, πολλά υποσχόμενη και εξαιρετικά «πράσινη» τεχνολογία δέσμευσης άνθρακα είναι η ενζυμικά υποβοηθούμενη δέσμευση θερμού ανθρακικού καλίου (βιομιμητική HPC, BioHPC). Πρόκειται για μια καινοτόμο τεχνολογία, που βασίζεται σε πολύ ανθεκτικά ένζυμα (πρωτεΐνες), τα οποία βελτιώνουν σημαντικά την απόδοση της τεχνολογίας HPC, επιτρέποντάς της να αντικαταστήσει τις μη οικολογικές μεθόδους.
H ενζυμική δέσμευση θερμού ανθρακικού καλίου είναι μια βιομιμητική μέθοδος. Αυτό σημαίνει ότι μιμείται τη φύση στον τρόπο που δεσμεύει το CO 2. Πώς γίνεται αυτό; Με τη χρήση ενζύμων που ονομάζονται καρβονικές ανυδράσες.
«Σχεδόν όλοι οι οργανισμοί στη φύση διαθέτουν καρβονικές ανυδράσες, ένζυμα τα οποία καταλύουν την αντίδραση ενυδάτωσης του CO 2 (δηλαδή διαλύουν και δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα στο νερό). Θεωρούνται ότι είναι από τα πιο γρήγορα ένζυμα, καθώς μπορούν να καταλύσουν 1.000.000 αντιδράσεις το δευτερόλεπτο και συμμετέχουν σε διεργασίες ζωτικής σημασίας, όπως είναι η κυτταρική αναπνοή και η ομοιόσταση του pH (σταθερότητα της οξύτητας). Στον άνθρωπο, το ένζυμο αυτό συμμετέχει στην αναπνευστική λειτουργία και είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση της ισορροπίας οξέων-βάσεων στο αίμα», εξηγεί η Δρ. Δήμητρα Ζαραφέτα, Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια του Ινστιτούτου Βιοκαινοτομίας του Ε.ΚΕ.Β.Ε «Αλέξανδρος Φλέμινγκ».
Παρότι οι καρβονικές ανυδράσες υπάρχουν παντού, η πλειοψηφία τους δρα σε ήπιες συνθήκες, όπως αυτές του ανθρώπινου οργανισμού, και έτσι δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές όπως η βιομιμητική δέσμευση CO 2, όπου καλούνται να δράσουν σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 80 °C και σε αλκαλικά διάλυμα αλάτων με pH μεγαλύτερο του 11.
Έτσι, ερευνητές και ερευνήτριες σε ολόκληρο τον κόσμο, ανάμεσά τους και η συγκεκριμένη ερευνητική ομάδα του ΕΚΕΒΕ Φλέμινγκ, στρέφονται τώρα στην αναζήτηση, μέσω μεταγονιδιωματικής ανάλυσης, εξαιρετικά σταθερών τέτοιων ενζύμων που είναι κρίσιμης σημασίας για την εφαρμογή της τεχνολογίας BioHPC. Και για την ανακάλυψή τους εστιάζουν στο γενετικό υλικό (DNA) του μικροβίωματος ακραίων οικοσυστημάτων.
«Η μεταγονιδιωματική ανάλυση μας δίνει πρόσβαση σε έναν “πρωτεϊνικό πλούτο” που παραμένει ιδιαίτερα ανεξερεύνητος και που μπορεί να προσφέρει πρωτεΐνες και ένζυμα μεγάλου βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος, όπως το ένζυμο CA-KR1 που εντοπίσαμε», σχολιάζει ο Δρ Σκρέτας.
Σύμφωνα με τον ίδιο, το ένζυμο CA-KR1 είναι εξαιρετικά σταθερό σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και σε ισχυρά αλκαλικά διαλύματα κάτι που είναι πολύ σπάνιο για μια τέτοια πρωτεΐνη.
«Αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν στο ένζυμο να αποδίδει εξαιρετικά κάτω από συνθήκες δέσμευσης θερμού ανθρακικού καλίου (θερμοκρασία πάνω από 80 °C και pH πάνω από 11) όπου βελτιώνει την παραγωγικότητα δέσμευσης του CO 2 κατά 90% στους 90 °C συγκριτικά με την τυπική μη ενζυμική δέσμευση. Επιτρέπει επίσης την απομάκρυνση του CO 2 κατά 90% στους 80 °C, ξεπερνώντας τις επιδόσεις της δέσμευσης HPC κατά 10% και διπλασιάζει τον αρχικό ρυθμό απορρόφησης CO 2 στους 90 °C», αναφέρει ο υποψήφιος διδάκτορας Κωνσταντίνος Ρήγκος, που μαζί με την Δρα Ζαραφέτα είχαν κεντρικό ρόλο στη συγκεκριμένη μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Environmental Science & Technology.
«Από όσο γνωρίζουμε, το ένζυμο CA-KR1 αποτελεί ίσως τον πιο ανθεκτικό βιοκαταλύτη (καρβονική ανυδράση) για αποτελεσματική δέσμευση CO 2 σε συνθήκες θερμού ανθρακικού καλίου που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα. Η ενσωμάτωση βιοκαταλυτών όπως η CA-KR1 σε βιομηχανικά περιβάλλοντα υπόσχεται να επιταχύνει τη βιομηχανική εφαρμογή της βιομιμητικής δέσμευσης CO 2 που αναμένεται να “αλλάξει το παιχνίδι” στη δέσμευση άνθρακα, συμβάλλοντας σημαντικά στην προσπάθεια έγκαιρης επίτευξης της κλιματική ουδετερότητα», προσθέτουν οι ερευνητές.
Για το καινοτόμο ένζυμο CA-KR1 έχει ήδη κατατεθεί αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας (πατέντα) και η αναμενόμενη μετάβαση του από τον εργαστηριακό πάγκο στον βιομηχανικό βιοαντιδραστήρα θα αποτελέσει ένα σημαντικό βήμα προς την έγκαιρη απανθρακοποίηση της βιομηχανίας, συμβάλλοντας σημαντικά στην προώθηση της καινοτομίας στον κρίσιμο τομέα της δέσμευσης CO 2 για την ευημερία στον πλανήτη.
«H Ευρωπαϊκή Ένωση έχει δεσμευτεί να μειώσει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά περίπου 40% έως το 2030, ώστε να αποφευχθούν οι δυσμενείς συνέπειες που θα επιφέρει στον πλανήτη η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πάνω από 1,5 °C. Για αυτό, η ανάπτυξη και η έγκαιρη εφαρμογή τεχνολογιών δέσμευσης είναι κρίσιμης σημασίας καθώς οι επιστήμονες προβλέπουν πως, εάν δε ληφθούν μέτρα, η θερμοκρασία του πλανήτη θα αυξηθεί κατά 2–3 °C έως το τέλος του αιώνα», καταλήγει ο Δρ Σκρέτας.
