أظهر العلماء تقنية جديدة يمكن من خلالها للبكتيريا المهندسة بيولوجيًا أن تصنع مواد كيميائية / بوليمرات فعالة من حيث التكلفة من مصادر متجددة مصنع تقارير عن مصادر العطور بدون العلبة
اللجنين هي مادة تشكل أحد مكونات الجدار الخلوي لجميع نباتات الأراضي الجافة. وهو ثاني البوليمر الطبيعي الأكثر وفرة بعد السليلوز. هذه المادة هي البوليمر الوحيد الموجود في النباتات والذي لا يتكون من الكربوهيدرات (السكر) المونومرات. توفر البوليمرات الحيوية الليجنوسليلوز الشكل والاستقرار والقوة والصلابة للنباتات. تتكون البوليمرات الحيوية من الليجنوسليلوز من ثلاثة مكونات رئيسية: السليلوز والهيمسيلولوز يشكلان إطارًا يتم فيه دمج اللجنين كنوع من الموصل وبالتالي تقوية جدار الخلية. إن تلبيس جدار الخلية يجعل النباتات مقاومة للرياح والآفات ويساعدها على مقاومة التعفن. يعد اللجنين مصدرًا ضخمًا للطاقة المتجددة ولكنه غير مستغل بالقدر الكافي. يعد اللجنين، الذي يمثل ما يصل إلى 30 بالمائة من الكتلة الحيوية للجينوسليلوز، كنزًا غير مستغل - على الأقل من وجهة نظر كيميائية. تعتمد الصناعة الكيميائية في الغالب على مركبات الكربون لإنتاج منتجات مختلفة مثل الطلاء والألياف الصناعية والأسمدة والأهم من ذلك البلاستيك. تستخدم هذه الصناعة بعض الموارد المتجددة مثل الزيوت النباتية والنشا والسليلوز وما إلى ذلك، ولكنها لا تشكل سوى 13 بالمائة من جميع المركبات.
اللجنين ، بديل واعد للبترول في صناعة المنتجات
في الواقع، اللجنين هو المصدر الوحيد المتجدد على وجه الأرض والذي يحتوي على عدد كبير من المركبات العطرية. وهذا أمر مهم لأن المركبات العطرية يتم استخلاصها بشكل عام من مصدر البترول غير المتجدد ومن ثم يتم استخدامها في الإنتاج البلاستيكوالدهانات وما إلى ذلك. وبالتالي، فإن إمكانات اللجنين عالية جدًا. بالمقارنة مع البترول وهو وقود أحفوري غير متجدد، يتم اشتقاق الليجنوسليلوز منه خشبأو القش أو ميسكانثوس وهي مصادر متجددة. يمكن زراعة اللجنين في الحقول والغابات وهو بشكل عام محايد تجاه المناخ. يُنظر إلى الليجنوسليلوز كبديل جدي للبترول في العقود القليلة الماضية. يقود النفط الصناعة الكيميائية في الوقت الحاضر. يعتبر البترول مادة خام للعديد من المواد الكيميائية الأساسية التي يتم استخدامها بعد ذلك لإنتاج منتجات مفيدة. لكن البترول مصدر غير متجدد وهو في تناقص، لذلك يجب التركيز على إيجاد مصادر متجددة. يؤدي هذا إلى ظهور اللجنين في الصورة، حيث يبدو أنه بديل واعد للغاية.
اللجنين مليء بالطاقة العالية ولكن استرداد هذه الطاقة عملية معقدة ومكلفة وبالتالي حتى الوقود الحيوي الذي يتم إنشاؤه لأن النتيجة النهائية عالية التكلفة بشكل عام ولا يمكن أن تحل محل "طاقة النقل" المستخدمة حاليًا. تم البحث في العديد من الأساليب لتطوير طرق فعالة من حيث التكلفة لتحطيم اللجنين وتحويله إلى مواد كيميائية قيمة. ومع ذلك ، فقد قيدت العديد من القيود تحويل مادة نباتية تعمل باللمس مثل اللجنين لاستخدامها كمصدر بديل للطاقة أو حتى محاولة جعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة. نجحت دراسة حديثة في هندسة البكتيريا (E. Coli) لتعمل كمصنع خلايا تحويل حيوي فعال ومنتج. بكتيريا تنمو وتتعدد بسرعة كبيرة وهي قادرة على تحمل العمليات الصناعية القاسية. تم الجمع بين هذه المعلومات وفهم المواد المسببة لإذابة اللجنين المتوفرة بشكل طبيعي. تم نشر العمل في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية.
قام فريق الباحثين بقيادة الدكتورة سيما سينغ في مختبرات سانديا الوطنية بحل ثلاث مشاكل رئيسية تمت مواجهتها عند تحويل اللجنين إلى مواد كيميائية أساسية. العقبة الرئيسية الأولى هي ذلك بكتيريا بشكل عام، لا تنتج الإشريكية القولونية الإنزيمات اللازمة للتحويل. يميل العلماء إلى حل مشكلة صنع الإنزيمات عن طريق إضافة "محفز" إلى حلقة التخمير. هذه المحفزات فعالة ولكنها باهظة الثمن وبالتالي لا تتناسب بشكل جيد مع مفهوم المصافي الحيوية. جرب الباحثون مفهومًا يتم فيه استخدام مركب مشتق من اللجنين مثل الفانيليا كركيزة بالإضافة إلى محفز من خلال هندسة بكتيريا بكتريا قولونية. وهذا من شأنه أن يتجاوز الحاجة إلى محفز باهظ الثمن. على الرغم من ذلك، كما اكتشفت المجموعة، لم تكن الفانيليا خيارًا جيدًا خاصة لأنه بمجرد تحلل اللجنين، يتم إنتاج الفانيليا بكميات كبيرة وتبدأ في تثبيط وظيفة الإشريكية القولونية، أي أن الفانيليا تبدأ في خلق السمية. لكن هذا كان في صالحهم عندما قاموا بتصميم بكتيريا. في السيناريو الجديد، يتم استخدام المادة الكيميائية السامة للإشريكية القولونية لبدء العملية المعقدة المتمثلة في "تثمين اللجنين". بمجرد وجود الفانيليا، فإنها تنشط الإنزيمات وتبدأ البكتيريا في تحويل الفانيلين إلى كاتيكول، وهي المادة الكيميائية المرغوبة. كما أن كمية الفانيلين لا تصل أبدًا إلى المستوى السام حيث يتم تنظيمها تلقائيًا في النظام الحالي. المشكلة الثالثة والأخيرة كانت تتعلق بالكفاءة. كان نظام التحويل بطيئًا وسلبيًا، لذا بحث الباحثون في ناقلات أكثر فعالية من البكتيريا الأخرى وقاموا بتعديلها إلى E. Coli والتي قامت بعد ذلك بتتبع العملية بسرعة. إن التغلب على مشاكل السمية والكفاءة من خلال مثل هذه الحلول المبتكرة يمكن أن يساعد في جعل إنتاج الوقود الحيوي عملية أكثر اقتصادا. كما أن إزالة المحفز الخارجي مع دمج التنظيم التلقائي يمكن أن يزيد من تحسين عملية صنع الوقود الحيوي.
لقد ثبت جيدًا أنه بمجرد تكسير اللجنين ، فإنه يتمتع بالقدرة على توفير أو بالأحرى "منح" مواد كيميائية ذات قيمة عالية للمنصة والتي يمكن تحويلها بعد ذلك إلى النايلون والبلاستيك والمستحضرات الصيدلانية وغيرها من المنتجات الهامة المشتقة حاليًا من البترول ، وهو مادة غير - مصدر طاقة متجدد. هذه الدراسة ذات صلة بكونها خطوة نحو البحث وتطوير حلول فعالة من حيث التكلفة للوقود الحيوي والإنتاج الحيوي. باستخدام تقنية الهندسة الحيوية ، يمكننا إنتاج كميات أكبر من المواد الكيميائية للمنصات والعديد من المنتجات النهائية الجديدة ، ليس فقط مع الإشريكية القولونية البكتيرية ولكن أيضًا مع المضيفات الميكروبية الأخرى. يجب أن تركز أبحاث المؤلفين المستقبلية على إظهار الإنتاج الاقتصادي لهذه المنتجات. هذا البحث له تأثير كبير على عمليات توليد الطاقة وتوسيع نطاق إمكانيات المنتجات الخضراء. يلاحظ المؤلفون أنه في المستقبل القريب يجب أن يكمل lignocellulose البترول بالتأكيد إذا لم يحل محله.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
وو دبليو وآخرون. 2018. نحو هندسة الإشريكية القولونية بنظام تنظيم ذاتي لتثمين اللجنين ، وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
