متابولیسم مصنوعی روش جدیدی برای تبدیل CO2 به مواد صنعتی قابل استفاده ارائه می‌دهد

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، تبدیل آلودگی آب و هوا به چیزی مفید، مدت‌هاست که یک آرزوی علمی بوده است.

اکنون، محققان در ایالات متحده با ساخت یک متابولیسم کاملاً مصنوعی که می‌تواند مولکول‌های مشتق شده از دی اکسید کربن را به بلوک‌های سازنده شیمیایی ارزشمند تبدیل کند، گامی جسورانه به سوی این هدف برداشته‌اند.

زیست‌شناسان مصنوعی از دانشگاه نورث وسترن و دانشگاه استنفورد سیستم جدیدی را مهندسی کرده‌اند که فرمات، یک مولکول مایع ساده که به راحتی از CO₂ جذب شده تولید می‌شود، را به استیل-کوآ، یک متابولیت مرکزی که توسط همه سلول‌های زنده استفاده می‌شود، تبدیل می‌کند.

به عنوان اثبات مفهوم، از همان سیستم برای تبدیل استیل-کوآ به مالات، یک ترکیب ارزشمند تجاری که در محصولات غذایی، لوازم آرایشی و پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر استفاده می‌شود، استفاده شد.

آنچه این تحقیق را متمایز می‌کند این است که مسیر متابولیکی آن در طبیعت وجود ندارد.

محققان به جای تکیه بر موجودات زنده، یک سیستم کاملاً مصنوعی و بدون سلول متشکل از آنزیم‌های مهندسی‌شده ساختند که قادر به انجام واکنش‌هایی هستند که قبلاً در زیست‌شناسی مشاهده نشده بودند.

این سیستم که با نام مسیر فرمیت کاهشی یا ReForm شناخته می‌شود، پیشرفت بزرگی در زیست‌شناسی مصنوعی و بازیافت کربن محسوب می‌شود و پیامد‌های بالقوه‌ای برای سوخت‌های خنثی از کربن و تولید پایدار دارد.

متابولیسم فراتر از سلول‌های زنده

برخلاف مسیر‌های متابولیک طبیعی که درون موجودات زنده عمل می‌کنند، ReReform کاملاً خارج از سلول‌های زنده عمل می‌کند.

این طراحی به محققان اجازه می‌دهد تا محدودیت‌های بیولوژیکی که مدت‌ها مانع از استفاده کارآمد از CO₂ بوده‌اند را دور بزنند.

اشتی کریم از دانشگاه نورث وسترن، که از رهبران این مطالعه بود، گفت: «انتشار بی‌وقفه CO۲ چالش‌های اجتماعی و اقتصادی بسیاری را برای بشریت ایجاد کرده است.»

«اگر قرار است به این چالش جهانی رسیدگی کنیم، به شدت به مسیر‌های جدیدی برای تولید کالا‌های بدون کربن نیاز داریم.»

کریم توضیح داد که اگرچه طبیعت مسیر‌هایی را برای پردازش CO₂ تکامل داده است، اما هیچ‌کدام نمی‌توانند فرمات را به استیل-کوآ تبدیل کنند.

او گفت: «با الهام از طبیعت، ما به دنبال استفاده از آنزیم‌های بیولوژیکی برای تبدیل فرمات مشتق شده از CO۲ به مواد با ارزش‌تر بودیم. از آنجا که مجموعه‌ای از آنزیم‌ها در طبیعت وجود ندارد که بتوانند این کار را انجام دهند، تصمیم گرفتیم یکی از آنها را مهندسی کنیم.»

توانایی کار در خارج از سلول‌ها همچنین به دانشمندان کنترل دقیقی بر غلظت آنزیم‌ها، شرایط واکنش و کوفاکتور‌ها می‌دهد، چیزی که دستیابی به آن در سیستم‌های زنده تقریباً غیرممکن است.

مهندسی آنزیم‌ها با سرعت بالا

برای اینکه ReForm کار کند، تیم ابتدا باید آنزیم‌هایی را ایجاد می‌کرد که قادر به انجام وظایف شیمیایی کاملاً جدید باشند.

آنها به زیست‌شناسی مصنوعی بدون سلول روی آوردند، تکنیکی که ماشین مولکولی سلول را استخراج کرده و آن را در محیط لوله آزمایش به کار می‌اندازد.

مایکل جوت از دانشگاه استنفورد و از رهبران این مطالعه گفت: «این کار مانند باز کردن کاپوت ماشین و برداشتن موتور است. سپس می‌توانیم از آن «موتور» برای اهداف مختلف، فارغ از محدودیت‌های ماشین، استفاده کنیم.»

این رویکرد به محققان اجازه داد تا به سرعت ۶۶ آنزیم و بیش از ۳۰۰۰ گونه آنزیم را غربالگری کنند و بهترین عملکرد‌ها را در عرض چند هفته به جای چند ماه شناسایی کنند.

کریم گفت: «محیط عاری از سلول ما را قادر ساخت تا هزاران آزمایش در هفته انجام دهیم.»

در طرح نهایی، پنج آنزیم مهندسی‌شده، شش مرحله واکنش را برای تبدیل فرمات به استیل-کوآ انجام می‌دهند. این تیم همچنین نشان داد که ReForm می‌تواند سایر ورودی‌های تک‌کربنه، از جمله فرمالدئید و متانول را نیز بپذیرد.

جویت گفت: «Reform می‌تواند به راحتی از منابع کربن متنوع استفاده کند. این اولین نمایش از معماری مسیر متابولیک مصنوعی است که می‌تواند این کار را انجام دهد.»

محققان می‌گویند که این پلتفرم می‌تواند بیشتر بهینه و سازگار شود تا مسیر‌های مصنوعی دیگری را که شیمی و زیست‌شناسی را با هم ترکیب می‌کنند، بسازد و ابزار‌های جدیدی را برای تولید با راندمان کربن ارائه دهد، همانطور که در Nature Chemical Engineering به تفصیل شرح داده شده است.