پژوهشگران فناوری تبدیل دیاکسید کربن به محصولات مفید را توسعه دادند.
به گزارش جماران پژوهشگران دانشگاههای نورثوسترن و استنفورد موفق شدند یک سامانه متابولیکی مصنوعی نوین توسعه دهند که قادر است دیاکسید کربن حاصل از فعالیتهای انسانی را به ترکیبات شیمیایی مفید تبدیل کند؛ دستاوردی علمی که حتی فراتر از تواناییهای موجود در طبیعت است.
این مطالعه که در نشریه Nature Chemical Engineering منتشر شده، برای نخستینبار یک مسیر متابولیکی مصنوعی خارج از سلولهای زنده را معرفی میکند که بر پایه آنزیمهای مهندسیشده عمل کرده و واکنشهایی را انجام میدهد که تاکنون در هیچ موجود زندهای مشاهده نشده است.
این سامانه جدید بر تبدیل فرمات ــ مولکولی مایع و ساده که میتوان آن را بهراحتی از دیاکسید کربن با استفاده از برق و آب تولید کرد ــ به ترکیب کلیدی «استیلکوآنزیم A» متکی است؛ مولکولی محوری در سوختوساز زیستی که تقریباً همه سلولهای زنده از آن برای ساخت مولکولهای پیچیده و تولید انرژی استفاده میکنند.
برای اثبات کارایی عملی این ایده، پژوهشگران از همین سامانه برای تبدیل «استیلکوآنزیم A» به مالات استفاده کردند؛ ترکیبی با ارزش تجاری بالا که در صنایع غذایی، آرایشیبهداشتی و پلاستیکهای زیستتخریبپذیر کاربرد دارد.
این دستاورد گامی مهم در حوزههای زیستشناسی ترکیبی و بازیافت کربن بهشمار میرود و افقهای تازهای برای توسعه سوختها و مواد مصنوعی پایدار و خنثی از نظر کربنی میگشاید؛ آن هم در شرایطی که نگرانی جهانی نسبت به افزایش مداوم غلظت دیاکسید کربن در جو رو به افزایش است.
چالشهای اجتماعی و اقتصادی
اشتی کریم، نویسنده اصلی مطالعه و دانشیار مهندسی شیمی و زیستی دانشگاه نورثوسترن، گفت انتشار مهارنشده دیاکسید کربن چالشهای اجتماعی و اقتصادی جدی برای بشریت ایجاد کرده است.
به گفته او، مقابله با این چالش جهانی نیازمند مسیرهای جدید تولید با کربن منفی است؛ فرآیندهایی که نهتنها انتشار را کاهش میدهند، بلکه کربن موجود را نیز مصرف میکنند.
کریم توضیح داد که اگرچه طبیعت مسیرهایی برای تثبیت دیاکسید کربن توسعه داده، اما این مسیرها توان همگامی با افزایش سریع غلظت آن در جو را ندارند. از همین رو، تیم پژوهشی با الهام از ابزارهای زیستی طبیعت ــ یعنی آنزیمها ــ مسیر مصنوعی جدیدی طراحی کرده که فرمات مشتقشده از دیاکسید کربن را به مواد با ارزش بالاتر تبدیل میکند.
فرمات بهعنوان یک واسطه جذاب برای بازیافت کربن شناخته میشود، زیرا میتوان آن را با بازده بالا از طریق فناوریهای الکتروشیمیایی و با استفاده از برق تجدیدپذیر تولید کرد. با این حال، سلولهای زنده در استفاده مؤثر از فرمات با مشکل مواجهاند و تنها تعداد بسیار محدودی از میکروارگانیسمها قادر به مصرف طبیعی آن هستند؛ آن هم گونههایی نادر و دشوار برای مهندسی ژنتیک.
کریم افزود در طبیعت هیچ مسیر متابولیکی وجود ندارد که بتواند فرمات را مستقیماً به «استیلکوآنزیم A» تبدیل کند. به همین دلیل، پژوهشگران ناچار شدند مسیر نظری کاملاً جدیدی طراحی کنند که به آنزیمهایی با عملکردهای غیرطبیعی نیاز دارد.
رویکرد بدون سلول و مهندسی آنزیمها
برای دستیابی به این هدف، تیم تحقیقاتی از رویکرد زیستشناسی ترکیبی بدون سلول استفاده کرد. در این روش، اجزای درون سلول مانند آنزیمها و عوامل کمکی استخراج شده و در محیطی کنترلشده (مانند لوله آزمایش) قرار میگیرند تا واکنشها خارج از موجود زنده انجام شوند؛ روشی سریعتر، کمهزینهتر و ایمنتر.
مایکل گات، استاد مهندسی زیستی دانشگاه استنفورد و از نویسندگان مطالعه، این رویکرد را به بیرون آوردن موتور از خودرو تشبیه کرد تا بدون محدودیتهای خودرو، از آن استفاده شود. این آزادی عمل به پژوهشگران اجازه داد هزاران آنزیم و گونههای مختلف آنها را با سرعتی بیسابقه آزمایش کنند.
در مجموع، تیم تحقیقاتی ۶۶ آنزیم و بیش از ۳ هزار گونه آنزیمی را بررسی کرد و در نهایت پنج آنزیم بهینه را انتخاب نمود. این آنزیمها در قالب مسیری ششمرحلهای گرد هم آمدند و موفق شدند فرمات را به «استیلکوآنزیم A» تبدیل کنند. این مسیر که «مسیر فرمات احیایی» نام گرفت، کاملاً مصنوعی است و به هیچ مسیر متابولیکی طبیعی وابسته نیست.
مزیت مهم این سامانه، امکان کنترل دقیق شرایط واکنش و غلظت آنزیمهاست؛ سطحی از کنترل که دستیابی به آن درون سلولهای زنده بسیار دشوار است.
پس از موفقیت در این مرحله، پژوهشگران نشان دادند که این مسیر مصنوعی میتواند از ورودیهای کربنی دیگری مانند فرمالدهید و متانول نیز استفاده کند، که دامنه کاربرد آن را گسترش میدهد.
چشمانداز آینده
به گفته گات، این پژوهش نخستین نمایش عملی از یک مسیر متابولیکی مصنوعی است که میتواند از منابع متنوع کربن تکاتمی استفاده کند. او تأکید کرد که ترکیب شیمی الکتریکی و زیستشناسی ترکیبی میتواند راهبردهای نوینی برای تثبیت دیاکسید کربن ارائه دهد و به آیندهای با بهرهوری بالاتر از نظر کربن و انرژی منجر شود.
اشتی کریم در پایان گفت گامهای بعدی شامل افزایش کارایی این مسیر و طراحی مسیرهای کاملاً جدید برای تبدیل کربن است. او ابراز امیدواری کرد که این دستاورد زمینهساز راهحلهای نوآورانه برای چالشهای زیستمحیطی و صنعتی باشد و نشان دهد که با طراحی سامانههایی فراتر از محدودیتهای طبیعت، میتوان به تولید پایدار و مقابله مؤثر با تغییرات اقلیمی دست یافت.
