به گزارش تجارت نیوز، دیاکسید کربن (CO2)، بزرگترین آلاینده آبوهوایی، حالا میتواند به جای تهدید، به گنجینهای از مواد شیمیایی مفید تبدیل شود. محققان دانشگاههای نورثوسترن و استنفورد در آمریکا، با مهندسی یک متابولیسم کاملا مصنوعی به نام ReForm، راهی نوین برای تبدیل فرمات مولکول ساده حاصل از دی اکسید کربن به استیل-کوآ و سپس مالات مواد کلیدی در صنایع غذایی، آرایشی و پلاستیکهای زیستتخریبپذیر ابداع کردهاند. این سیستم بدون سلولهای زنده عمل میکند و مسیرهای متابولیکی جدیدی ایجاد میکند که در طبیعت وجود ندارند. با غربالگری ۶۶ آنزیم و بیش از ۳۰۰۰ گونه، این فناوری میتواند بازیافت کربن را متحول کند و به تولید سوختهای خنثی کربن و شیمی پایدار کمک کند. در این گزارش، جزئیات فنی، چالشها و پتانسیلهای این نوآوری را به تفصیل بررسی میکنیم.
متابولیسم مصنوعی: از دی اکسید کربن آلاینده به بلوکهای سازنده شیمیایی
تبدیل دی اکسید کربن به محصولات مفید، آرزوی دیرینه دانشمندان بوده است. حالا زیستشناسان مصنوعی، سیستم ReForm را ساختهاند که فرمات مولکول مایع سادهای که به راحتی از دی اکسید کربن جذبشده تولید میشود را مستقیما به استیل-کوآ (متابولیت مرکزی همه سلولهای زنده) تبدیل میکند. به عنوان اثبات مفهوم، همین سیستم استیل-کوآ را به مالات ترکیبی ارزشمند در محصولات غذایی، لوازم آرایشی و پلاستیکهای زیستتخریبپذیر تبدیل کرد.
آنچه ReForm را انقلابی میکند، عدم وجود این مسیر متابولیکی در طبیعت است. محققان به جای وابستگی به موجودات زنده، سیستمی کاملا مصنوعی و بدون سلول از آنزیمهای مهندسیشده ساختند که واکنشهای بیسابقه در زیستشناسی را انجام میدهند. این پیشرفت، که در مجله Nature Chemical Engineering منتشر شده، زیستشناسی مصنوعی و بازیافت کربن را دگرگون میکند و نوید سوختهای خنثی کربن و تولید پایدار را میدهد.
فراتر از محدودیتهای بیولوژیکی: عمل خارج از سلولهای زنده
برخلاف مسیرهای متابولیک طبیعی که درون سلولها محدود هستند، ReForm کاملا خارج از سلول عمل میکند. این طراحی، محدودیتهای بیولوژیکی طولانیمدت را دور میزند و کنترل دقیق بر غلظت آنزیمها، شرایط واکنش و کوفاکتورها را ممکن میسازد چیزی که در سیستمهای زنده تقریبا غیرممکن است.
اشتی کریم، رهبر مطالعه از دانشگاه نورثوسترن، میگوید: «انتشار بیوقفه دی اکسید کربن چالشهای اجتماعی و اقتصادی عظیمی برای بشریت ایجاد کرده است. اگر میخواهیم به این چالش جهانی پاسخ دهیم، به مسیرهای جدیدی برای تولید کالاهای بدون کربن نیاز داریم.» او توضیح میدهد که طبیعت مسیرهایی برای پردازش دی اکسید کربن تکامل داده، اما هیچکدام فرمات را به استیل-کوآ تبدیل نمیکنند. بنابراین، تیم با الهام از طبیعت، آنزیمهای بیولوژیکی را مهندسی کرد تا این فقدان را پر کنند.
مهندسی سریع ۶۶ آنزیم و ۳۰۰۰ گونه: قدرت زیستشناسی بدون سلول
برای موفقیت ReForm، تیم ابتدا آنزیمهایی برای وظایف شیمیایی جدید ساخت. آنها از زیستشناسی مصنوعی بدون سلول استفاده کردند تکنیکی که ماشین مولکولی سلول را استخراج و در لوله آزمایش فعال میکند. مایکل جویت از دانشگاه استنفورد تشبیه میکند: «این کار مانند باز کردن کاپوت ماشین و برداشتن موتور است. سپس از آن موتور برای اهداف دلخواه، بدون محدودیتهای ماشین، استفاده میکنیم.»
این رویکرد، غربالگری سریع ۶۶ آنزیم و بیش از ۳۰۰۰ گونه را در عرض چند هفته (به جای ماهها) ممکن کرد. کریم میگوید: «محیط بدون سلول، هزاران آزمایش در هفته را فراهم کرد.» در طرح نهایی، پنج آنزیم مهندسیشده در شش مرحله واکنش، فرمات را به استیل-کوآ تبدیل میکنند. علاوه بر این، ReForm ورودیهای تککربنه دیگر مانند فرمالدئید و متانول را نیز میپذیرد. جویت تاکید میکند: «ReForm به راحتی از منابع کربن متنوع استفاده میکند. این اولین معماری متابولیک مصنوعی است که چنین انعطافی دارد.»
پتانسیلهای آینده: بهینهسازی برای تولید صنعتی کربن صفر
محققان معتقدند ReForm را میتوان بیشتر بهینه کرد تا مسیرهای مصنوعی جدیدی بسازد که شیمی و زیستشناسی را ترکیب کنند. این پلتفرم، ابزارهایی برای تولید با راندمان کربن بالا ارائه میدهد و میتواند صنایع شیمیایی را پایدار کند. با تبدیل دی اکسید کربن مستقیم به مواد ارزشمند، این فناوری انتشار گازهای گلخانهای را کاهش میدهد و اقتصاد دایرهای را تقویت میکند.
متابولیسم مصنوعی ReForm با تبدیل فرمات از دی اکسید کربن به استیل-کوآ و مالات از طریق ۵ آنزیم و ۶ مرحله، بدون نیاز به سلولهای زنده، دریچهای به سوی بازیافت صنعتی کربن باز کرده است. غربالگری سریع ۶۶ آنزیم و ۳۰۰۰ گونه در محیط بدون سلول، سرعت نوآوری را چند برابر کرده و انعطافپذیری با ورودیهایی مانند فرمالدئید و متانول را ممکن ساخته است. این پیشرفت نه تنها چالشهای دی اکسید کربن را حل میکند، بلکه تولید پایدار سوختها، پلاستیکها و مواد شیمیایی را متحول مینماید. با ادامه بهینهسازی، ReForm میتواند کلید رسیدن به جهان کربنصفر باشد و صنایع را به سمت آیندهای سبز سوق دهد.
