התעשייה הכימית, הנשענת במידה רבה על משאבי מאובנים לייצור פלסטיק, צבעים וחומרי טעם מלאכותיים, צורכת למעלה ממיליון טון ממשאבים אלו מדי יום, ותורמת לכ-5% מהפליטות העולמיות. חוקרים, בראשות פרופסור ג'וליה וורהולט, עובדים על הפחתת תלות זו על ידי פיתוח חיידקים סינתטיים שיכולים להמיר 'מתנול ירוק' – שנוצר מ-CO2 ומים באמצעות אנרגיה מתחדשת – לכימיקלים שימושיים, שעלולים למזער את טביעת הרגל הפחמנית של התעשייה. קרדיט: שון קיליאן
התעשייה הכימית תלויה בעיקר במשאבי מאובנים כמו נפט גולמי לייצור מגוון כימיקלים, כולל פלסטיק, צבעים וחומרי טעם סינתטיים.
"באופן עולמי, הוא צורך 500 מיליון טון בשנה, או יותר ממיליון טון ליום", אומרת ג'וליה וורהולט, פרופסור במכון למיקרוביולוגיה ב-ETH ציריך. "מכיוון שההמרות הכימיות הללו הן עתירות אנרגיה, ה-CO האמיתי2 טביעת הרגל של התעשייה הכימית גדולה אפילו פי שישה עד עשרה, ומסתכמת בכחמישה אחוז מסך הפליטות בעולם". היא והצוות שלה מחפשים דרכים להפחית את התלות של התעשייה הכימית בדלקים מאובנים.
מתנול ירוק
חיידקים הניזונים מתנול, הידועים בשם מתילוטרופים, נמצאים במרכז המאמצים הללו. מכיל רק פחמן בודד אָטוֹם, מתנול הוא אחת המולקולות האורגניות הפשוטות ביותר וניתן לסנתז אותה מגז החממה פחמן דו חמצני ומים. אם האנרגיה לתגובת סינתזה זו מגיעה ממקורות מתחדשים, המתנול מכונה "ירוק".
"יש מתילוטרופים טבעיים, אבל השימוש בהם תעשייתי נשאר קשה למרות מאמץ מחקרי ניכר", אומר מייקל רייטר, חוקר פוסט-דוקטורט בקבוצת המחקר של וורהולט, שעובדת במקום זאת עם חיידק המודל המובן היטב מבחינה ביוטכנולוגית. אי קולי. הצוות של וורהולט עוקב אחר הרעיון לצייד את חיידק המודל, הגדל על סוכר, ביכולת לבצע חילוף חומרים של מתנול כבר כמה שנים.
מבנה מחדש מלא של חילוף החומרים
"זהו אתגר גדול מכיוון שהוא דורש מבנה מחדש מלא של חילוף החומרים של התא", אומר Vorholt. בתחילה, החוקרים דימו את השינוי הזה באמצעות מודלים ממוחשבים. בהתבסס על הדמיות אלו, הם בחרו שני גנים להסרה ושלושה גנים חדשים להחדרה. "כתוצאה מכך, החיידקים יכולים לקלוט מתנול, אם כי רק בכמויות קטנות", אומר רייטר.
הם המשיכו לגדל את החיידקים בתנאים מיוחדים במעבדה במשך יותר משנה עד שהחיידקים יכלו לייצר את כל מרכיבי התא מהמתנול. במהלך כ-1,000 דורות נוספים, המתילוטרופים הסינטטיים הללו הפכו יעילים יותר ויותר, ובסופו של דבר הוכפלו כל ארבע שעות כשהם מוזנים רק עם מתנול. "קצב הגדילה המשופר הופך את החיידקים למעניינים מבחינה כלכלית", אומר Vorholt.
אופטימיזציה באמצעות אובדן תפקוד
כפי שהצוות של Vorholt מתאר במאמרם שפורסם לאחרונה, מספר מוטציות המתרחשות באקראי אחראיות ליעילות המוגברת של ניצול מתנול. רוב המוטציות הללו הביאו לאובדן תפקוד של גנים שונים. זה מפתיע במבט ראשון, אבל בבדיקה מעמיקה יותר מתברר שהתאים יכולים לחסוך באנרגיה הודות לאובדן תפקוד הגנים. לדוגמה, מוטציות מסוימות גורמות לכישלון התגובות ההפוכות של תגובות ביוכימיות חשובות. "זה מבטל המרות כימיות מיותרות ומייעל את השטף המטבולי בתאים", כותבים החוקרים.
כדי לחקור את הפוטנציאל של methylotrophs סינתטיים לייצור ביוטכנולוגי של כימיקלים בתפזורת רלוונטיים תעשייתית, Vorholt וצוותה ציידו את החיידקים בגנים נוספים עבור ארבעה מסלולים ביו-סינתטיים שונים. במחקר שלהם הם מראים כעת שהחיידקים אכן ייצרו את התרכובות הרצויות בכל המקרים.
פלטפורמת ייצור רב-תכליתית
עבור החוקרים, זו הוכחה ברורה לכך שהחיידקים המהונדסים שלהם יכולים לעמוד במה שהובטח במקור: החיידקים הם מעין פלטפורמת ייצור רב-תכליתית שבה ניתן להכניס מודולים של ביו-סינתזה לפי עקרון "הכנס והפעל". מה שמניע את החיידקים להמיר מתנול לחומרים ביוכימיים רצויים.
עם זאת, החוקרים עדיין צריכים להגדיל משמעותית את התפוקה והפרודוקטיביות כדי לאפשר שימוש כדאי כלכלית בחיידקים. Vorholt והצוות שלה קיבלו לאחרונה קרן חדשנות "כדי להרחיב עוד יותר את התוכניות לקראת יישומים ולבחור מוצרים להתמקד בהם תחילה", אומר Vorholt.
כשרייטר מדבר על איך ניתן לייעל את גידול החיידקים בביו-ריאקטורים, הוא מתמלא בהתלהבות. "בהתחשב באתגרים של שינויי האקלים, ברור שיש צורך בחלופות למשאבי מאובנים", הוא אומר. "אנחנו מפתחים טכנולוגיה שאינה פולטת CO נוסף2 לתוך האווירה", אומר רייטר. ומכיוון שהמתילוטרופים הסינתטיים, מלבד מתנול ירוק, אינם דורשים מקורות פחמן נוספים לגידולם ולמוצריהם, הם מאפשרים "להפיק כימיקלים מתחדשים שאינם מכבידים על הסביבה".
