مجلة أقلام مرحبا بك في مجلة أقلام , هنا ستجد آخر المقالات والأخبار
في محاولة لتكرار قدرات تدمير السليلوز للفطريات اللاهوائية الموجودة في الخميرة وخلق عملية أحادية التكلفة يمكن أن تكون فعالة من حيث التكلفة لتصنيع الوقود الحيوي السليلوزي ، طور علماء الأحياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وخبراء التسلسل الجيني نهجًا تحليليًا جديدًا سيمكنهم من تحديد ما هي الإنزيمات الموجودة في فطريات الأمعاء التي تلعب دورًا رئيسيًا في هضم النبات وكيفية صنع هذه الإنزيمات وتجميعها.
يعمل باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على هندسة الخميرة وراثيًا لتحطيم ألياف النبات المستعصية إلى سكريات يمكن تخميرها بعد ذلك – وهي خطوة أولى نحو عملية كائن حي واحد يمكن أن تكون فعالة من حيث التكلفة لتصنيع الوقود الحيوي السليلوزي. مصدر المادة الوراثية: الفطريات اللاهوائية من الجهاز الهضمي للحصان على نظام غذائي يعتمد على التبن فقط. من خلال التعاون مع خبراء التسلسل الجيني في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، طور الباحثون نهجًا تحليليًا جديدًا سيمكنهم من تحديد الإنزيمات الموجودة في فطريات الأمعاء التي تلعب دورًا رئيسيًا في هضم النبات وكيفية صنع هذه الإنزيمات وتجميعها – وهي معلومات ستساعدهم تكرار قدرات الفطريات على تدمير السليلوز في الخميرة. يمكن أن يكشف نهجهم عن إنزيمات جديدة هي بطل مذيبات السليلوز ولكنها تحدث بشكل طبيعي فقط في كائنات غير معروفة لا يمكن زراعتها في المختبر.
أحد المصادر الواعدة للوقود المتجدد هو الكتلة الحيوية من المخلفات الزراعية والأعشاب ومحاصيل الطاقة المخصصة الأخرى. توجد طرق لتحويل هذه الكتلة الحيوية السليلوزية إلى وقود غني بالطاقة يمكن أن يحل محل البترول ، لا سيما في أنظمة النقل. بشكل عام ، تستخدم هذه الطرق الإنزيمات والمواد الكيميائية لتحطيم الكتلة الحيوية النباتية إلى سكريات مثل الجلوكوز ، والتي يتم تغذيتها بعد ذلك للكائنات الحية الدقيقة لتخمير السكريات لصنع الإيثانول والبيوتانول ومنتجات نهائية أخرى. لكن هذه الأساليب ليست مجدية اقتصاديًا للاستخدام على نطاق واسع ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى التكلفة المرتبطة بإنتاج الإنزيم ونشاطه والتكاليف المرتبطة بفصل المعالجة السليلوزية إلى العديد من الخطوات. كريس كايزر ، عميد معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأستاذ الأحياء في ماكفيكار ، يعتقد أن النهج الأفضل هو هندسة كائن حي واحد وراثيًا يمكنه تحطيم السليلوز وتخمير المنتج – ويعتقد أن أفضل كائن حي للعمل هو الخميرة. يقول كايزر: “نحن نعلم بالفعل كيفية تعديل الخميرة وراثيًا للتحكم في مساراتها الأيضية ، ولدينا خبرة واسعة في استخدام الخميرة لإجراء التخمير على نطاق صناعي”. الخطوات اللازمة لتنفيذ فكرته معروفة: اختر كائنًا طبيعيًا يهضم السليلوز بشكل طبيعي ، وتحديد الإنزيمات الرئيسية المشاركة في هذه العملية ، وتحديد الجينات التي تعبر عن تلك الإنزيمات ، واسترداد تلك الجينات ، وإدخالها في الخميرة. يمكن بسهولة وضع هذه الخميرة المهندسة في عملية صناعية وتوسيع نطاقها لإنتاج الوقود الحيوي.
يعرف الباحثون في معمل كايزر الخميرة: يستخدمونها كنموذج حي لدراسة العديد من العمليات الخلوية الأساسية. لكن هندسة الخميرة وراثيًا لمعالجة الكتلة الحيوية السليلوزية كانت مفهومًا جديدًا واتجاهًا جديدًا بالنسبة لهم. يقول كايزر ، “نشأت الفكرة من خلال التمويل الأولي لمبادرة MIT للطاقة وازدهرت في مسعى بحثي أوسع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وطريقة جديدة للتفكير في إيجاد كائنات حية وأنزيمات محسنة لاستخدامها في تصنيع الوقود الحيوي.”
تبحث عن الانزيمات
كانت المهمة الأولى هي العثور على إنزيمات تحلل السليلوز أو “تحلل النسيج الخلوي” والتي من شأنها أن تعمل بشكل جيد في الخميرة. مكان جيد للبحث في المسالك الهضمية للحيوانات العاشبة الكبيرة مثل الأبقار والخيول. تستهلك هذه الحيوانات كميات كبيرة من العشب والتبن ، وتحتوي أجزاء من الجهاز الهضمي على مزيج من البكتيريا والفطريات والطفيليات المحسّنة لهضم تلك المواد الصعبة.
إن فكرة البحث عن إنزيمات تحلل النسيج الخلوي في الكرش أو المعى الخلفي ليست جديدة ، ولكن عادة ما يكون التركيز على البكتيريا – العمود الفقري لعالم الأحياء الدقيقة الصناعية. ومع ذلك ، فإن الجينات من البكتيريا بشكل عام لا تعبر عن الإنزيمات بكفاءة في الخميرة. قد تعمل الجينات من الفطريات بشكل أفضل ، ولكن لا يُعرف سوى القليل نسبيًا عن الفطريات في الثدييات العاشبة الكبيرة. وجهة النظر المقبولة على نطاق واسع هي أنها موجودة بتركيزات منخفضة جدًا في الجهاز الهضمي للحيوانات العاشبة الكبيرة ، لذلك لا يمكن أن تكون لاعبًا مهمًا في هضم السليلوز. بالإضافة إلى ذلك ، من الصعب للغاية عزلها واستزراعها في المختبر لأنها تتطلب ظروف نمو يتم التحكم فيها بعناية ، بما في ذلك عدم وجود الأكسجين. فضح هذا “اللاهوائي الملزم” للأكسجين ويموت. النتيجة: تم تجاهل الفطريات اللاهوائية إلى حد كبير.
يجادل كايزر وزميلته ميشيل أومالي ، زميلة ما بعد الدكتوراه في وزارة الزراعة الأمريكية- NIFA في علم الأحياء والآن أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، بأنه لا ينبغي استبعاد هذه الفطريات بسهولة. لسبب واحد ، فإن التحليلات التي تكشف عن تركيزات منخفضة من فطريات الأمعاء تختبر عينات سائلة فقط. يقول أومالي: “لكن الفطريات اللاهوائية التي نهتم بها دائمًا ما يتم العثور عليها محفورة في الألياف السليلوزية التي يتم هضمها”. في الواقع ، تُظهر التحليلات التي تشمل الكسور السائلة والصلبة أن الفطريات يمكن أن تصل إلى 20٪ من السكان الميكروبيين.
علاوة على ذلك ، يُعتقد أن هذه الفطريات من بين أكثر أجهزة الهضم المعروفة فاعلية وقوة لمادة “lignocellulosic” – أي ليس فقط السليلوز ولكن أيضًا المواد الأخرى التي تحدث معها ، ولا سيما الهيميسليلوز واللجنين ، والبوليمرات الموجودة في جدران الخلايا النباتية التي تكون شديدة للغاية. قاسية ويمكن أن تمنع الوصول إلى السليلوز نفسه ، مما يزيد من تعقيد تحللها. في الفطريات اللاهوائية ، يتم دعم نشاط الإنزيمات الرئيسية من خلال عمل الفطريات – وهي خيوط متفرعة تشبه الخيوط يمكنها اختراق المواد النباتية وتفتيتها ميكانيكيًا. في حين أن الفطريات قد لا تكون المجموعة الميكروبية المهيمنة في الجهاز الهضمي ، فمن الواضح أنها تلعب دورًا رئيسيًا في تحطيم السليلوز في الأمعاء.
نظرًا للقدرات الرائعة للفطريات اللاهوائية وتوافقها المحتمل مع الخميرة ، قرر Kaiser و O’Malley أنه يجب عليهم تعلم كيفية العمل معهم. في شتاء 2011 ، أمضى أومالي خمسة أسابيع في مختبر في المملكة المتحدة يدرس مع البروفيسور مايكل ثيودورو ، الذي يعمل حاليًا في جامعة دورهام ومركز ابتكار العمليات بالمملكة المتحدة – أحد “حفنة من الأشخاص في العالم” يمكنهم التدريس لها المهارات والتقنيات اللازمة لعزل وتصنيف وثقافة هذه الكائنات الحية الصعبة.
خطوات أولى وتحديات جديدة
في البداية ، سعى فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ببساطة إلى تحديد ما إذا كانت الجينات من الفطريات ستعبر عن الإنزيمات المحللة في الخميرة. من أجل الفحص ، أدخل أومالي جينات سيلولوليتية معروفة من أفضل أنواع فطر الكرش ، بيروميسيس ، في الخميرة ، حيث نمت وأظهرت الإنزيمات المثيرة للاهتمام عند مستويات عالية. ومع ذلك ، فإن بعض الإنزيمات التي تم التعبير عنها لم تكن تفاعلية تجاه السليلوز ، وكان من الصعب تحديد سبب عدم حدوث ذلك. اتفق O’Malley و Kaiser على أنهما بحاجة إلى فهم أفضل لكيفية صنع الإنزيمات الخلوية وعملها في بيئتها الأصلية – أي داخل Piromyces.
في الواقع ، للحصول على أفضل نتيجة ، كانوا بحاجة إلى فهم هذه العملية بالتفصيل. يتطلب الأمر ثلاثة أنواع على الأقل من الإنزيمات لتقطيع بوليمرات السليلوز إلى شرائح أقصر. إذا تصرفت هذه الإنزيمات عن طريق الاصطدام العشوائي مع المادة السليلوزية ، فإن العملية ستكون غير فعالة للغاية. لتسريع الأمور ، على مدى ملايين السنين ، تعلمت بكتيريا الأمعاء والفطريات تجميع مجموعات من الجينات المنتجة للإنزيم على جزيء داعم يسمى السقالة. يُشبِّه كايزر هذا الهيكل العام – السليلوزوم – بمنضدة عمل يتم فيها ربط الجينات وتباعدها بحيث يمكن للإنزيمات المعبر عنها أن تحلل جميع مكونات ألياف السليلوز بشكل تآزري.
من الناحية المثالية ، سيقوم الباحثون بتكرار تجميع وتشغيل مثل هذه السليلوزومات الفطرية داخل الخميرة. لكنهم احتاجوا أولاً إلى تحديد تكوين وهيكل السليلوزومات الكاملة في Piromyces – وهي مهمة يتم إنجازها بشكل أفضل في عينة نقية من الفطريات.
لإعداد مثل هذه العينة ، جمع أومالي براز حصان يُدعى فين في Verrill Farm Stables في كونكورد ، ماساتشوستس. يأكل الفنلندي العشب والقش فقط ، لذا فإن جهازه الهضمي مضبوط جيدًا لتدمير السليلوز وبرازه مرتفع في السليلوز – تحطيم الميكروبات. للبدء ، قام O’Malley بزراعة عينات على العشب بالإضافة إلى المضادات الحيوية لقمع نمو كل من البكتيريا والأوليات التي تستهلك البكتيريا. ثم سحبت عينة صغيرة من الخليط وزرعها في وجود ركائز سليلوزية. أدى إجراء هذه العملية عدة مرات على مدار شهرين إلى “عزل” – نوع واحد من الفطريات يبدو أنه نوع جديد من Piromyces ، لم يتم تمييزه أو تسميته من قبل.
للبحث عن الإنزيمات السليلوليتية والسليلوزومات في الأنواع الجديدة ، يستغل الباحثون عملية طبيعية تسمى التنظيم التقويضي. بشكل عام ، لن تستهلك الكائنات الحية الطاقة لإنتاج إنزيمات لهضم المواد الصعبة مثل السليلوز إذا كان لديها شيء يسهل هضمه ، مثل الجلوكوز. يقول أومالي: “لذلك يمكننا أن نجعل الكائن الحي يخبرنا ما هي أكثر الإنزيمات قيمة في تكسير السليلوز”. وفقًا لذلك ، فإنها تقوم بزراعة بعض الفطريات على الجلوكوز – وهو إعداد يجب أن يوقف الجينات اللازمة لتدمير السليلوز. تحصل العينات الأخرى على السليلوز فقط ، والذي يجب أن يقوم بتشغيل كل هذه الجينات للحصول على أقصى تعبير. ستمنحها الثقافات الناتجة “طريقة منطقية ومركزة للبحث عن الإنزيمات الفعلية والسليولوزومات التي تعتبر مهمة للكائن الحي في تحطيم السليلوز ،
التحليل الجيني
الخطوة التالية – الجارية الآن – هي تحديد الجينات ومجموعات الجينات المهمة ومكان حدوثها على الحمض النووي للكائن الحي. يقول كايزر إن الخبر السار هو أن لديه زملاء قريبين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من بين الخبراء الرائدين في العالم في إنجاز تلك المهام. يقوم الباحثون في مركز MIT BioMicro بإجراء تسلسل الجينوم من الجيل التالي لعينات أومالي ، على وجه التحديد ، من الحمض النووي الريبي المرسال(mRNA) ، وهي نسخ من أقسام الحمض النووي المسؤولة عن صنع الإنزيمات. ومع ذلك ، فإن القراءات الجينية ستمثل مقتطفات معزولة من الرنا المرسال بدلاً من الجينات الكاملة ، لذا تتمثل مهمة أخرى في معرفة المقتطفات التي تنتمي معًا. في معهد برود التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد ، طورت أفيف ريجيف ، الأستاذة المشاركة في علم الأحياء ، وفريقها “خوارزميات تجميع” جديدة مناسبة بشكل مثالي لأداء عملية إعادة البناء هذه. يقول كايزر: “إذا أخذنا هذه الطرق معًا ، ستعطينا قائمة موجزة لما هو موجود لأن mRNA ينسخ فقط الجزء من الحمض النووي اللازم لصنع الإنزيم”. “ويخبرك عدد النسخ الموجودة بشيء عن مستوى التعبير. يجب أن يكون هناك الكثير ، العديد من نسخ mRNA المقابلة للجين الخلوي في العينة التي تنمو على السليلوز مقارنة بالعينة التي تنمو على الجلوكوز. إنه نهج قوي للغاية “.
هناك أسلوب آخر يتم تطبيقه وهو التحليل العنقودي. يمكن برمجة الكمبيوتر لفحص ملايين نقاط البيانات من الدراسات الجينية والبحث عن الارتباطات في مستويات التعبير. مع عدم وجود أي اعتبار للعوامل الأخرى ، فإنه يقوم ببساطة بتجميع الجينات التي يتم التعبير عنها على نفس المستوى – وهو مؤشر على أن هذه الجينات يتم “تنظيمها بشكل مشترك” من قبل الكائن الحي وبالتالي من المحتمل أن تعمل معًا على مستوى معين. بناءً على هذا الافتراض ، يمكن لمجموعة تضم جينات خلوية معروفة أن تشمل أيضًا جينات غير معروفة ، ربما من بينها بعض مكونات السليلوزوم.
بينما يدرس أومالي الجينات في فطر نقي واحد ، يستخدم آخرون في مختبر كايزر طرقًا مماثلة لتحديد التعبير الكمي عن عائلات جينية معينة في خلائط معقدة جيدة في هضم السليلوز. من هناك ، يمكنهم استخراج تسلسلات جينية جديدة ذات أهمية ، وإدخالها في الخميرة ، وفحص النشاط الأنزيمي الناتج – طريقة لاكتشاف جينات جديدة واعدة دون الحاجة إلى تحديد أو استنبات الكائنات الحية الأم.
يقول كايزر: “يكمن جمال هذا النهج في أنه يمكننا العثور على جينات خلوية تأتي من كائنات لا يمكننا نموها في المختبر”. “هذه واحدة من المجالات الجديدة والمثيرة في علم الأحياء الدقيقة. إنها طريقة للتحايل على قيود النهج الكلاسيكي حيث يمكنك فقط دراسة الأشياء التي يمكنك ثقافتها – وهذا مجرد جزء صغير من الكائنات الحية الموجودة هناك “. مجتمعة ، يجب أن توسع أنشطة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الجديدة قائمة الكائنات الحية والإنزيمات المعروفة التي تحلل المواد النباتية إلى منتجات قابلة للتخمير – سواء في الجهاز الهضمي للحصان أو في الوحل على أرضية البركة أو في مصنع لتصنيع الوقود الحيوي.
