يُمكن اعتبار الفورمات ركيزة أساسية للاقتصاد الحيوي المحايد للكربون، إذ يُنتَج من ثاني أكسيد الكربون باستخدام طرق كيميائية (كهربائية) ويُحوَّل إلى منتجات ذات قيمة مضافة عبر تفاعلات إنزيمية متسلسلة أو كائنات دقيقة مُهندسة. ومن الخطوات المهمة في توسيع نطاق استخدام الفورمات الاصطناعي اختزاله المعقد ديناميكيًا حراريًا للفورمالديهايد، والذي يظهر هنا على شكل تغير في اللون إلى الأصفر. حقوق الصورة: معهد ماكس بلانك/جايزل لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية.
ابتكر العلماء في معهد ماكس بلانك مسارًا استقلابيًا اصطناعيًا يحول ثاني أكسيد الكربون إلى الفورمالديهايد بمساعدة حمض الفورميك، مما يوفر طريقة محايدة للكربون لإنتاج مواد قيمة.
لا تساهم المسارات البنائية الجديدة لتثبيت ثاني أكسيد الكربون في خفض مستوياته في الغلاف الجوي فحسب، بل يمكنها أيضاً استبدال الإنتاج الكيميائي التقليدي للأدوية والمكونات الفعالة بعمليات بيولوجية محايدة للكربون. وتُظهر أبحاث جديدة عمليةً يُمكن من خلالها استخدام حمض الفورميك لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مادة قيّمة للصناعات الكيميائية الحيوية.
نظراً لتزايد انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، يُعدّ احتجاز الكربون، أو احتجاز ثاني أكسيد الكربون تحديداً، من مصادر الانبعاثات الكبيرة مسألة ملحة. ففي الطبيعة، يستمر امتصاص ثاني أكسيد الكربون منذ ملايين السنين، إلا أن قدرته لا تكفي لتعويض الانبعاثات البشرية المنشأ.
يستخدم باحثون بقيادة توبياس إرب من معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية أدوات طبيعية لتطوير طرق جديدة لتثبيت ثاني أكسيد الكربون. وقد نجحوا الآن في تطوير مسار أيضي اصطناعي يُنتج الفورمالديهايد شديد التفاعل من حمض الفورميك، وهو وسيط محتمل في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي. يمكن للفورمالديهايد أن يدخل مباشرةً في العديد من المسارات الأيضية لتكوين مواد قيّمة أخرى دون أي آثار سامة. وكما هو الحال في العمليات الطبيعية، يتطلب الأمر عنصرين أساسيين: الطاقة والكربون. ويمكن توفير الطاقة ليس فقط من ضوء الشمس المباشر، بل أيضاً من الكهرباء، على سبيل المثال، من الألواح الشمسية.
في سلسلة القيمة، تتنوع مصادر الكربون. ثاني أكسيد الكربون ليس الخيار الوحيد، بل نتحدث عن جميع مركبات الكربون الفردية (وحدات بناء الكربون الأحادي): أول أكسيد الكربون، وحمض الفورميك، والفورمالديهايد، والميثانول، والميثان. مع ذلك، تُعدّ جميع هذه المواد تقريبًا شديدة السمية، سواءً للكائنات الحية (أول أكسيد الكربون، والفورمالديهايد، والميثانول) أو لكوكب الأرض (الميثان كغاز دفيئة). ولا تستطيع العديد من الكائنات الدقيقة تحمّل التركيزات العالية من حمض الفورميك إلا بعد تحييده إلى فورماته الأساسية.
تؤكد مارين ناترمان، المؤلفة الرئيسية للدراسة، قائلةً: "يُعدّ حمض الفورميك مصدرًا واعدًا جدًا للكربون، لكن تحويله إلى الفورمالديهايد في المختبر عمليةٌ تستهلك طاقةً هائلة". ويعود ذلك إلى أن الفورمات، وهو ملح الفورمات، لا يتحول بسهولة إلى الفورمالديهايد. وتضيف: "هناك حاجز كيميائي كبير بين هذين الجزيئين، وقبل أن نتمكن من إجراء تفاعل حقيقي، يجب علينا التغلب عليه بمساعدة الطاقة الكيميائية الحيوية - الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)".
كان هدف الباحثين إيجاد طريقة أكثر اقتصادية. فكلما قلّت الطاقة اللازمة لتغذية عملية الأيض بالكربون، زادت الطاقة المتاحة لتحفيز النمو أو الإنتاج. لكن لا وجود لمثل هذه الطريقة في الطبيعة. يقول توبياس إرب: "تطلّب اكتشاف ما يُسمى بالإنزيمات الهجينة متعددة الوظائف قدرًا من الإبداع. ومع ذلك، فإن اكتشاف الإنزيمات المرشحة ليس سوى البداية. نحن نتحدث عن تفاعلات يمكن عدّها معًا لأنها بطيئة للغاية - في بعض الحالات، لا يتجاوز عدد التفاعلات تفاعلًا واحدًا في الثانية لكل إنزيم. بينما يمكن أن تحدث التفاعلات الطبيعية بمعدل أسرع بألف مرة". وهنا يأتي دور الكيمياء الحيوية التركيبية، كما تقول مارين ناترمان: "إذا عرفتَ بنية الإنزيم وآليته، ستعرف أين تتدخل. وقد كان ذلك مفيدًا للغاية".
تتضمن عملية تحسين الإنزيمات عدة مناهج: تبادل الوحدات البنائية المتخصصة، وتوليد الطفرات العشوائية، واختيار السعة. وأوضح مارين قائلاً: "يُعدّ كل من الفورمات والفورمالديهايد مناسبين للغاية لقدرتهما على اختراق جدران الخلايا. يمكننا إضافة الفورمات إلى وسط زراعة الخلايا، مما يُنتج إنزيمًا يحوّل الفورمالديهايد الناتج إلى صبغة صفراء غير سامة بعد بضع ساعات". وأضاف ناترمان موضحًا:
لم يكن من الممكن تحقيق هذه النتائج في هذه الفترة القصيرة لولا استخدام أساليب الإنتاجية العالية. ولتحقيق ذلك، تعاون الباحثون مع شريكهم الصناعي، شركة فيستو، في إسلينغن بألمانيا. تقول مارين ناترمان: "بعد حوالي 4000 تجربة، ضاعفنا إنتاجيتنا أربع مرات. وبذلك، وضعنا الأساس لنمو الكائن الحي النموذجي، الإشريكية القولونية، وهو الكائن الحي الدقيق الأساسي في مجال التقنية الحيوية، على حمض الفورميك. مع ذلك، في الوقت الحالي، لا تستطيع خلايانا سوى إنتاج الفورمالديهايد، ولا يمكنها إجراء المزيد من التحولات."
بالتعاون مع زميله سيباستيان وينك من معهد فسيولوجيا النبات الجزيئية، يعمل باحثو معهد ماكس بلانك حاليًا على تطوير سلالة قادرة على امتصاص المركبات الوسيطة وإدخالها في عمليات الأيض المركزية. في الوقت نفسه، يُجري الفريق أبحاثًا حول التحويل الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك مع مجموعة عمل في معهد تحويل الطاقة الكيميائية التابع لمعهد ماكس بلانك، تحت إشراف والتر لايتنر. يتمثل الهدف طويل الأمد في إنشاء منصة شاملة لتحويل ثاني أكسيد الكربون الناتج عن العمليات الكهروكيميائية الحيوية إلى منتجات مثل الأنسولين أو الديزل الحيوي.
المرجع: مارين ناترمان، سيباستيان وينك، باسكال فايستر، هاي هي، سيونغ هوانغ لي، ويتولد شيمانسكي، نيلز غونترمان، فايينغ تشو، "تطوير سلسلة تفاعلات جديدة لتحويل الفورمات المعتمد على الفوسفات إلى الفورمالديهايد في المختبر وفي الجسم الحي"، لينارت نيكل، شارلوت والنر، جان زارزيكي، نيكول باتشيا، نينا غايزرت، جيانكارلو فرانسيو، والتر لايتنر، رامون غونزاليس، وتوبياس ج. إرب، 9 مايو 2023، نيتشر كوميونيكيشنز. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily: موطن أفضل أخبار التكنولوجيا منذ عام 1998. ابقَ على اطلاع دائم بآخر أخبار التكنولوجيا عبر البريد الإلكتروني أو وسائل التواصل الاجتماعي. > ملخص بريدي مع اشتراك مجاني
وجد الباحثون في مختبرات كولد سبرينغ هاربور أن بروتين SRSF1، الذي ينظم عملية ربط الحمض النووي الريبي، يتم تنظيمه بشكل متزايد في البنكرياس.