ما وجه التشابه بين وقود الطائرة، وزجاجات الصودا البلاستيكية؟
إنهم جميع المنتجات المشتقة حاليًا من البترول، وقد ابتكر علماء مختبرات “سانديا” الوطنية تقنية جديدة تعتمد على البكتيريا المُهندسة وراثيًا، التي تمّكن من إنتاج كل هذه المنتجات من مصادر نباتية متجددة.
من الناحية الاقتصادية، فإن عملية تحويل المواد النباتية مثل (اللجنين)، “lignin” صعبة، كما أن كفاءة تحويل هذه المواد ضعيفة، وهذا ما يُعيق استخدام هذه المواد كمصدر للطاقة على نطاق واسع.
لذلك قام مجموعة من الباحثين من مختبر “سانديا” باستخدام بكتيريا تسمى “E.coli” لتكسير (اللجنين)، ولذلك قاموا بهندسة بكتيريا الـ “E.coli”، مما يجعلها أداة فعالة في تحويل الخلايا النباتية لمصادر للطاقة بكفاءة.
وقالت “سينغ” “على مدار سنوات كنا نبحث عن طرق فعالة من حيث التكلفة لكسر اللجنين، وتحويله إلى مواد كيماوية ذات قيمة.”. “طبقنا هذه الطريقة حسب فهمنا لعملية تكسير اللجنين الطبيعية باستخدام بكتيريا الـ “E.coli”، والتي تنمو بسرعة ويمكن أن تعيش في ظل ظروف عمليات الصناعة القاسية.”
ويعتبر اللجنين أحد مكونات جدران الخلايا النباتية، والذي يمنحها قوتها المذهلة، كما أنه مليئ بالطاقة، لكن الحصول على هذه الطاقة مُكلِف ومُعقد، لدرجة أن الوقود الحيوي الناتج لا يمكن أن يتنافس اقتصاديًا مع أشكال الطاقة الأخرى التي تُستخدم في النقل.
وبمجرد تكسير اللجنين، يمكننا الحصول على مواد كيميائية ذات قيمة عالية يمكن تحويلها إلى نايلون، أو بلاستيك، ومواد صيدلانية، وغيرها من المنتجات القيِّمة، وقد يركز البحث في المستقبل على استخراج هذه المنتجات الأخرى من اللجنين، إذ أنه يمكنه تحقيق التوازن الاقتصادي بين الوقود الحيوي، والمنتجات الحيوية.
-حل ثلاث مشاكل: التكلفة والسمية والكفاءة
حلَّت “سينغ” وفريقها ثلاثة مشاكل في تحويل اللجنين إلى مواد كيماوية،
الأولى كانت التكلفة، ففي العادة لا تنتج “E. coli” الإنزيمات اللازمة لعملية التحويل، يجب على العلماء أن يدفعوا البكتيريا لإفراز الإنزيمات بإضافة شيء ما يسمى مُحفزًا إلى البكتيريا، وعلى الرغم من فعاليتها لتحفيز إنتاج الإنزيم، إلا أن المُحفزات يمكن أن تكون مكلفة للغاية.
وكان الحل هو هندسة الـ “E. coli”، بحيث تكون المركبات المشتقة من اللجنين مثل الفانيلين “Vanillin” بمثابة الركيزة والمُحفز معًا.
لا يُعد الفانيلين خيارًا واضحًا لاستخدامه بدلًا من المحفز، حيث أن هذا المركب يُنتَج عندما ينكسر اللجنين، وعند تواجده بتركيزات عالية يعمل على تثبيط البكتيريا، ولا تستطيع تكسير اللجنين بتركيزات أعلى، وهذا ما طرح المشكلة الثانية وهي السمية.
وتقوم هذه الهندسة بحل مشكلة السمية، وذلك من خلال تمكين المادة الكيميائية السامة المُنتَجة من بكتيريا الـ “E.coli” في تثمين اللجنين، وبمجرد أن ينشط الفانيلين، ويبدأ في تحفيز إنتاج الإنزيمات، فإن بكتيريا الـ “E.coli” تبدأ في تحويل الفانيلين إلى الكاتيكول “catechol”، وهو مركب كيميائي مرغوب، وبذلك فإن نسبة الفانيلين لا تصل إلى مستوى سام.
المشكلة الثالثة كانت الكفاءة، إذ أن حركة الفانيلين عبر أغشية الخلايا بطيئة، ولذلك لجأ الباحثون للبحث عن ناقلات فعالة من أنواع أخرى من البكتيريا والميكروبات لتعقب هذه العملية بسرعة.
وقال “ليو”: “لقد استخدمنا تصميمًا للنقل من ميكروب آخر، ووضعناه في بكتيريا الـ “E.coli”، مما يساعد على ضخ الفانيلين في البكتيريا”، “يبدو الأمر سهلًا للغاية، لكن الأمر استغرق الكثير من إجراءات الضبط لجعل كل شيء يعمل في آنٍ واحد”.
إن الحلول الهندسية مثل هذه، التي تتغلب على مشاكل السمية والكفاءة، لديها القدرة على جعل إنتاج الوقود الحيوي متاح اقتصاديًا، والطريقة الوحيدة الحالية من الحافز والضوابط التلقائية لتثمين اللجنين، يعمل بها الباحثون على تحسين عملية صنع الوقود الحيوي.
وقال “سينغ”: “لقد وجدنا هذه القطعة من لغز تثمين اللجنين، مما يوفر نقطة انطلاق رائعة للبحوث المستقبلية في حلول قابلة للتطور، وفعالة من حيث التكلفة”، “الآن يمكننا العمل على إنتاج كميات أكبر من المواد الكيميائية، ومسارات الهندسة إلى المنتجات النهائية الجديدة، واستخدام مضيفي الميكروبات غير (E. coli)”.
كتابة: آلاء عمارة
مراجعة: منار إبراهيم
تصميم: أمنية عبدالفتّاح
تحرير: علاء الدين محمود
