En ny computermodel hjælper forskere med at forstå, hvordan naturen bedst binder CO₂ – og hvordan vi kan kopiere de mest effektive metoder i kunstige systemer. Målet er at udvikle teknologier, der aktivt fjerner CO₂ fra luften og kan blive et vigtigt våben i kampen mod global opvarmning.
Gennem hele livets milliarder år lange historie her på Jorden har naturen udviklet forskellige metaboliske veje til at omdanne CO2 til noget anvendeligt, for eksempel sukker eller proteiner.
Forskere har fundet syv forskellige kemiske 'arbejdsgange', som levende organismer bruger til at omdanne CO₂ til nyttige byggesten som sukker og aminosyrer.
Fotosyntesen er den mest kendte måde at binde CO₂ på – men den er faktisk langt fra den mest effektive. Mikroskopiske organismer har udviklet andre kemiske veje, der kan gøre det samme hurtigere og med mindre energiforbrug.
Forskerne har udviklet en ny computermodel, der for første gang gør det muligt at analysere og sammenligne CO₂-fikseringens effektivitet på tværs af naturens forskellige kemiske veje – og forstå hvorfor nogle virker bedre end andre.
Modellen gør det også muligt for forskerne at afprøve ændringer i de kemiske processer og finde ud af, hvordan man bedst optimerer CO₂-fikseringen.
Den nye viden baner vejen for kunstige CO₂-fabrikker – avancerede anlæg, der kan suge CO₂ ud af luften og omdanne den til værdifulde produkter som brændstof, byggematerialer og grøn kemi – og dermed bidrage både til klimaet og industrien.
“Vi håber, at vores forskning kan bidrage til at udvikle systemer, der trækker CO₂ ud af luften – for eksempel fra kulkraftværker eller aluminiumsfabrikker. Men før det kan lade sig gøre, skal vi forstå præcis, hvordan CO₂ bedst bindes, og derefter teste teknologien i virkelige anlæg,” fortæller en af forskerne bag studiet, videnskabelig direktør for Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet Bernhard Palsson.
Syv måder naturen fanger CO₂
Når man inden for kemien taler om, at en kemisk reaktion er effektiv, betyder det, at det kræver mindst muligt energi at komme fra substratet til produktet, og at den kemiske reaktion foregår så hurtigt som muligt.
Når CO₂ bliver fanget og omdannet til byggesten som sukker, kaldes det fiksering – en slags kemisk fastlåsning, hvor CO₂ bliver en del af noget nyt. Det betyder, at molekylet bindes og omdannes til noget, cellen kan bruge.
I studiet undersøgte forskerne energieffektiviteten af to af de syv kendte metaboliske veje til at fiksere CO2.
Den ene af de to er den såkaldte Wood-Ljungdahl-signalvej, som forskellige bakterier benytter til at omdanne CO₂ til noget brugbart.
Den anden er den reduktive glycin-signalvej, der ligeledes benyttes af nogle former for bakterier til at fiksere CO₂.
Glycin-vejen kan være op til 1.000 gange mere effektiv end Wood–Ljungdahl, blandt andet fordi den bruger mindre af cellens energivaluta, ATP, og nemmere brændstof til de kemiske reaktioner.
Begge de to metaboliske veje er desuden lineære, således at slutprodukterne er forskellige fra startprodukterne.
Ud over de to lineære veje, hvor processen stopper efter ét gennemløb, findes fem cykliske veje. Her fungerer slutprodukterne som en del af startmaterialet igen – ligesom i en genbrugsloop, hvor intet går til spilde. Det fungerer som et lukket kredsløb, hvor materialer og energi genbruges effektivt.
“Dette er de kendte metaboliske veje til at fiksere CO₂. Der findes måske flere end dem, og fremover kan vi måske udvikle helt nye, menneskeskabte CO₂-veje – designet fra bunden til at være endnu hurtigere og mere energibesparende end naturens egne, og som måske kan designes til at være endnu mere effektive,” forklarer Bernhard Palsson.
Lille forskel – stor CO₂-effekt
Computermodellen viser, hvor i de metaboliske veje at små forskelle resulterer i den observerede forskel i effektivitet. Disse forskelle er blandt andet relateret til forskelle i strukturen af de enzymer, der katalyserer processerne.
Indsigten i forskellene mellem de to veje gør det muligt for forskerne at forstå præcis, hvad der gør den ene langt mere effektiv. Det handler blandt andet om, hvordan enzymer – cellernes små katalysatorer – kan lede de kemiske reaktioner, så der spildes mindst muligt energi.
Forskellen er så stor, at glycin-vejen i modellen kan være op til 1.000 gange mere effektiv end Wood-Ljungdahl-vejen.
I anden del af undersøgelsen undersøgte forskerne, hvad fysisk opdeling af de forskellige trin i de metaboliske veje har af betydning for effektiviteten af den samlede CO₂-fiksering.
Her skal man forestille sig, at CO₂-fiksering via de to metaboliske veje kan foregå inde i en bakteriel celle, hvor der ingen fysisk opdeling er mellem de forskellige enzymer og produkter i delreaktionerne, eller i en eukaryot celle (dyr eller planter), hvor cellens indre er opdelt i forskellige rum, hvor hvert trin i de metaboliske veje kan forløbe.
Forskerne fandt, at den indre rumopdeling i planteceller – hvor hver proces foregår i sit eget lille afsnit – gør CO₂-fikseringen mere effektiv. Det svarer til, at hver arbejdsstation på en fabrik har sit eget rum og værktøj. Hvert trin i processen kan forløbe uforstyrret i sit eget lille rum, ligesom på en fabrik med separate produktionslinjer.
Fra bakterier til fremtidens CO₂-fabrikker
Bernhard Palsson fortæller, at indsigten i naturens måder at energioptimere fikseringen af CO2 åbner døren til at lave systemer til at modvirke klimaforandringerne.
Den nye model giver forskere mulighed for at bygge mere præcise CO₂-reaktorer – tekniske systemer, der kan udtrække CO₂ fra luften og forvandle den til værdifulde ressourcer for industrien – som brændstoffer, plastik eller kemikalier.
Forskerne fandt i deres simuleringer et design, der var 10.000 gange mere effektivt end tidligere eksperimentelle systemer. Det svarer til at sammenligne en vandpistol med en højtryksrenser, når det gælder om at trække CO₂ ud af atmosfæren.
“Vores næste skridt bliver at lave de samme undersøgelser af de cykliske metaboliske veje til fiksering af CO2. Målet er at finde ud af, hvilken CO₂-vej der er mest lovende, og derefter bygge et større testanlæg for at se, om teknologien kan bruges i praksis,” forklarer Bernhard Palsson.
