تحول در صنایع شیمیایی با باکتری‌های مصنوعی

به گزارش باریخ نیوز به نقل از تکناک ،جولیا وورهولت، پروفسور مؤسسه میکروبیولوژی در ETH زوریخ می‌گوید: در سطح جهانی، سالانه 500 میلیون یا حتی بیش از یک میلیون تن منابع فسیلی مصرف می‌شود. از آنجایی که این تبدیل‌های شیمیایی انرژی‌بر هستند، ردپای واقعی کربن‌دی‌اکسید در صنعت شیمیایی شش تا ده برابر بیشتر است و حدود پنج درصد از کل انتشارات جهانی را تشکیل می‌دهد.

به همین منظور وورهولت و گروهش به دنبال راه‌هایی برای کاهش وابستگی صنایع شیمیایی به سوخت‌های فسیلی بودند.

متانول سبز

باکتری‌هایی که از متانول تغذیه می‌کنند و معروف به متیلوتروف‌ هستند، در مرکز این تحقیقات قرار دارند. متانول که فقط یک اتم کربن دارد، یکی از ساده‌ترین مولکول‌های آلی است و می‌تواند از گاز گلخانه‌ای دی‌اکسید‌کربن و آب سنتز شود. اگر انرژی برای این واکنش سنتز از منابع تجدید پذیر باشد، این متانول، متانول سبز نامیده می‌شود.

مایکل ریتر در گروه تحقیقاتی ورهولت، که روی باکتری اشریشیا کلی که از نظر زیست فناوری به خوبی شناخته شده است، تحقیق می‌کند، می‌گوید: متیلوتروف‌ها به شکل طبیعی وجود دارند، اما استفاده از آنها به صورت صنعتی با وجود تلاش‌های تحقیقاتی قابل‌توجه همچنان دشوار است. گروه ورهولت چندین سال است که ایده تجهیز باکتری را که روی شکر رشد می‌کند، با توانایی متابولیسم متانول دنبال می‌کند.

بازسازی کامل متابولیسم

وورهولت می گوید: این یک چالش بزرگ است زیرا نیاز به بازسازی کامل متابولیسم سلولی دارد. در ابتدا، محققان این تغییر را با استفاده از مدل‌های کامپیوتری شبیه‌سازی کردند. بر اساس این شبیه‌سازی‌ها، آنها دو ژن را برای حذف و سه ژن جدید را برای معرفی انتخاب کردند. رایتر می‌گوید: در نتیجه، باکتری‌ها می‌توانند متانول را جذب کنند، البته فقط در مقادیر کم.

آنها بیش از یک سال به رشد باکتری‌ها در شرایط ویژه در آزمایشگاه ادامه دادند تا اینکه میکروب‌ها توانستند تمام اجزای سلولی را از متانول تولید کنند. در طول حدود 1000 نسل دیگر، این متیلوتروف‌های مصنوعی به‌طور فزاینده‌ای کارآمد شدند و در نهایت با تغذیه فقط با متانول، هر چهار ساعت دو برابر شدند. وورهولت می‌گوید: این میزان رشد بهبود یافته، باکتری‌ها را از نظر اقتصادی جالب می‌کند.

بهینه‌سازی از طریق از دست دادن عملکرد

همانطور که گروه وورهولت در مقاله اخیر منتشر شده خود توضیح می‌دهند، چندین جهش به‌طور تصادفی مسئول افزایش کارایی استفاده از متانول هستند. بیشتر این جهش ها منجر به از دست دادن عملکرد ژن‌های مختلف می‌شود. این مسئله در نگاه اول شگفت‌انگیز است، اما با بررسی دقیق‌تر مشخص می‌شود که سلول‌ها می‌توانند به لطف از دست دادن عملکرد ژن‌ها در انرژی صرفه‌جویی کنند. برای مثال، برخی جهش‌ها باعث می‌شوند که واکنش‌های معکوس واکنش‌های مهم بیوشیمیایی با شکست مواجه شوند. محققان می‌گویند: این جهش‌ها تبدیل‌های شیمیایی اضافی را از بین می‌برد و شار متابولیک در سلول‌ها را بهینه می‌کند.

برای بررسی پتانسیل متیلوتروف‌های مصنوعی برای تولید بیوتکنولوژیک مواد شیمیایی حجیم مرتبط صنعتی، وورهولت و گروهش باکتری‌ها را با ژن‌های اضافی برای چهار مسیر مختلف بیوسنتزی مجهز کرده‌اند. در مطالعه خود، آنها اکنون نشان می‌دهند که باکتری‌ها واقعاً در همه موارد ترکیبات مورد نظر را تولید می‌کنند.

پلتفرم تولید پرکاربرد

برای محققان، این شواهد روشنی است که باکتری‌های مهندسی‌شده آن‌ها می‌توانند به آنچه در ابتدا وعده داده شده بود، عمل کنند: میکروب‌ها نوعی پلتفرم تولید بسیار پرکاربرد هستند که می‌توان ماژول‌های بیوسنتز را طبق اصل «plug-and-play» در آن قرار داد. این اصل باعث تحریک باکتری‌ها به تبدیل متانول به مواد بیوشیمیایی مورد نظر می شود.

با این حال، محققان هنوز باید عملکرد و بهره‌وری را به میزان قابل‌توجهی افزایش دهند تا امکان استفاده اقتصادی مقرون به صرفه از باکتری را فراهم کنند.

وقتی رایتر در مورد چگونگی بهینه‌سازی کشت باکتری‌ها در بیورآکتورها صحبت می‌کند، سرشار از اشتیاق می‌شود. او می‌گوید: با توجه به تغییرات آب و هوایی، واضح است که جایگزین‌هایی برای منابع فسیلی مورد نیاز است. وی می‌گوید: ما در حال توسعه فناوری هستیم که دی‌اکسید کربن اضافی را در جو منتشر نمی‌کند و از آنجایی که متیلوتروف های مصنوعی علاوه بر متانول سبز، به هیچ منبع کربن اضافی برای رشد و محصولات خود نیاز ندارند، آنها اجازه می‌دهند مواد شیمیایی تجدید پذیر تولید شوند که محیط زیست را تحت فشار قرار نمی‌دهند.