صنایع شیمیایی که به شدت به منابع فسیلی برای تولید پلاستیک، رنگ و عطرهای مصنوعی متکی است، روزانه بیش از یک میلیون تن از این منابع را مصرف می‌کند که تقریباً 5 درصد از انتشار جهانی را تشکیل می‌دهد. محققان به سرپرستی پروفسور جولیا وارهولت با توسعه باکتری‌های مصنوعی که می‌توانند «متانول سبز» ایجاد شده از CO2 و آب را با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر به مواد شیمیایی مفید تبدیل کنند، تلاش می‌کنند تا این وابستگی را کاهش دهند و به طور بالقوه ردپای کربن صنعت را به حداقل برسانند. اعتبار: شان کیلیان
صنایع شیمیایی در درجه اول به منابع فسیلی مانند نفت خام برای تولید طیف وسیعی از مواد شیمیایی از جمله پلاستیک، رنگ و عطرهای مصنوعی وابسته است.
جولیا وارهولت، استاد موسسه میکروبیولوژی در می گوید: «در سطح جهان، سالانه 500 میلیون تن یا بیش از یک میلیون تن در روز مصرف می شود. ETH زوریخ. زیرا این دگرگونی‌های شیمیایی گاز کربنیک واقعی و انرژی بر هستند2 ردپای صنعت شیمیایی حتی شش تا ده برابر بزرگتر است و حدود پنج درصد از کل انتشار جهانی را تشکیل می دهد. او و تیمش به دنبال راه هایی برای کاهش وابستگی صنایع شیمیایی به سوخت های فسیلی هستند.
متانول سبز
باکتری هایی که از متانول تغذیه می کنند، معروف به متیلوتروف ها، در مرکز این تلاش ها قرار دارند. فقط یک کربن دارد اتممتانول یکی از ساده ترین مولکول های آلی است که می تواند از گاز گلخانه ای دی اکسید کربن و آب سنتز شود. اگر انرژی این واکنش همجوشی از منابع تجدیدپذیر تامین شود، متانول “سبز” نامیده می شود.
مایکل ریتر، عضو فوق دکتری در گروه تحقیقاتی ورهولت، که در عوض با باکتری مدلی که از نظر بیوتکنولوژی به خوبی درک شده است، می‌گوید: «متیلوتروف‌های طبیعی وجود دارند، اما استفاده صنعتی از آنها با وجود تلاش‌های تحقیقاتی قابل توجه همچنان دشوار است. E. coli. تیم Vorholt ایده تجهیز یک باکتری مدلی را که روی شکر رشد می کند با توانایی متابولیسم متانول در طی چندین سال دنبال کرد.
بازسازی کامل متابولیسم
وورهولت می گوید: «این یک چالش بزرگ است زیرا نیاز به بازسازی کامل متابولیسم سلولی دارد. محققان در ابتدا این تغییر را با استفاده از مدل های کامپیوتری شبیه سازی کردند. بر اساس این شبیه سازی ها، 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 باکتری ها در شرایط خاص در آزمایشگاه ادامه دادند تا اینکه میکروب ها توانستند تمام اجزای سلولی را از متانول تولید کنند. در طول 1000 نسل دیگر، این متیلوتروف های مصنوعی به طور فزاینده ای کارآمد شدند و در نهایت با تغذیه فقط با متانول، اندازه آنها هر چهار ساعت دو برابر شد. وورهولت می گوید: «نرخ رشد بهبود یافته باکتری ها را از نظر اقتصادی جالب می کند.
بهینه سازی با از دست دادن عملکرد
همانطور که تیم Vorholt در مقاله اخیر منتشر شده خود توضیح می دهد، چندین جهش به طور تصادفی مسئول افزایش کارایی استفاده از متانول هستند. بیشتر این جهش ها منجر به از دست دادن عملکرد ژن های مختلف می شود. این در نگاه اول شگفت‌انگیز است، اما با بررسی دقیق‌تر مشخص می‌شود که سلول‌ها می‌توانند انرژی را به لطف از دست دادن عملکرد ژن حفظ کنند. برای مثال، برخی جهش‌ها باعث می‌شوند که واکنش‌های معکوس واکنش‌های مهم بیوشیمیایی با شکست مواجه شوند. محققان نوشتند: «این تبدیل‌های شیمیایی اضافی را حذف می‌کند و شار متابولیک در سلول‌ها را بهینه می‌کند.
برای کشف پتانسیل متیلوتروف های مصنوعی برای تولید بیوتکنولوژیک مواد شیمیایی حجیم صنعتی، Vorholt و تیمش باکتری ها را با ژن های اضافی برای چهار مسیر مختلف بیوسنتزی مجهز کردند. در مطالعه خود، آنها اکنون نشان می دهند که باکتری ها واقعاً در همه موارد ترکیبات مورد نظر را تولید کرده اند.
یک پلت فرم تولید انعطاف پذیر
برای محققان، این شواهد واضحی است مبنی بر اینکه باکتری‌های مهندسی‌شده آنها می‌تواند آنچه را که در ابتدا وعده داده شده بود برآورده کند: میکروب‌ها نوعی پلت‌فرم تولید بسیار انعطاف‌پذیر هستند که می‌توان ماژول‌های بیوسنتز را طبق اصل plug-and-play در آن قرار داد و باکتری‌ها را وادار به تبدیل می‌کند. متانول به مواد بیوشیمیایی مطلوب.
با این حال، محققان هنوز باید به طور قابل توجهی عملکرد و بهره وری را افزایش دهند تا امکان استفاده اقتصادی از باکتری را فراهم کنند. وارهولت می‌گوید: وارهولت و تیمش اخیراً یک صندوق نوآوری دریافت کردند “برای گسترش بیشتر برنامه‌ها به برنامه‌ها و انتخاب محصولاتی که ابتدا روی آنها تمرکز کنند.”
هنگامی که رایتر در مورد چگونگی بهینه سازی کشت باکتری در بیورآکتورها صحبت می کند، سرشار از اشتیاق است. او می‌گوید: «با توجه به چالش‌های تغییرات آب و هوایی، واضح است که جایگزین‌هایی برای منابع فسیلی مورد نیاز است». “ما در حال توسعه فناوری هستیم که دی اکسید کربن اضافی منتشر نمی کند2 رایتر می گوید در جو. و از آنجایی که متیلوتروف های مصنوعی، به غیر از متانول سبز، به هیچ منبع کربن اضافی برای رشد و محصولات خود نیاز ندارند، آنها اجازه می دهند “مواد شیمیایی تجدید پذیر تولید کنند که محیط زیست را تحت فشار قرار نمی دهند.”
مرجع: “Escherichia coli متیلوتروفیک مصنوعی به عنوان داربست برای تولید زیستی متانول” توسط Michael A. Reiter، Timothy Bradley، Lars A. Büchel، Philip Keller، Emese Hegedis، Thomas Gassler و Julia A. Vorholt، 23 آوریل 20. کاتالیزور طبیعی.
DOI: 10.1038/s41929-024-01137-0