ما اغلب برای حل بزرگ‌ترین مشکلات به کوچک‌ترین اشکال زندگی نگاه می‌کنیم. میکروب‌ها و باکتری‌ها به تولید غذاها و نوشیدنی‌ها، درمان بیماری‌ها، تجزیه زباله‌ها و حتی پاک‌سازی آلودگی کمک می‌کنند.

مخمرها و باکتری‌ها همچنین می‌توانند قندهای گیاهی را به سوخت‌های زیستی و مواد شیمیایی که به‌طور سنتی از سوخت‌های فسیلی به دست می‌آیند، تبدیل کنند. سوخت فسیلی یکی از مؤلفه‌های کلیدی اکثر برنامه‌ها برای کاهش تغییرات آب و هوایی محسوب می‌شود.

اکنون محققان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون باکتری‌هایی را مهندسی کرده‌اند که می‌توانند همزمان دو محصول شیمیایی را از الیاف گیاهی کم‌مصرف تولید کنند. برخلاف انسان‌ها، این میکروب‌های چندوظیفه‌ای می‌توانند هر دو کار را به یک اندازه به‌خوبی انجام دهند.

تیم دونوهیو، استاد باکتری‌شناسی UW-Madison و مدیر مرکز تحقیقات بیوانرژی دریاچه‌های بزرگ، می‌گوید:

«از نظر من، این یکی از اولین بارهایی است که می‌توانید همزمان دو محصول ارزشمند را در یک میکروب بسازید.»

این کشف که در مقاله‌ای در ژورنال Applied and Environmental Microbiology به تفصیل شرح داده شده است، می‌تواند به پایداری و تجاری‌سازی سوخت‌های زیستی کمک کند.

دونوهیو می‌گوید:

«در اصل، این استراتژی انتشار خالص گازهای گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد و اقتصاد را بهبود می‌بخشد. میزان انرژی و گازهای گلخانه‌ای که برای تولید دو محصول در یک جا نیاز دارید، کمتر از انرژی است که برای تولید هر محصول جداگانه استفاده می‎شود.»

هر مولکول باکتری‌ها مهم است

تلاش برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی با جایگزین‌های پایدار به استخراج بیشترین حد ممکن از زیست توده تجدیدپذیر بستگی دارد. درست مانند پتروشیمی‌ها، هر مولکولی مهم است. محصولات کم حجم و با ارزش به مقرون به‌صرفه‌تر شدن سوخت کمک می‌کنند.

یکی از بزرگترین موانع، بخشی از دیواره سلولی گیاه به نام لیگنین است. لیگنین فراوان‌ترین منبع کربن‌های معطر تجدیدپذیر در جهان است، اما ساختار نامنظم آن، تجزیه آن را به اجزای مفید دشوار می‌کند.

به همین دلیل است که دانشمندان روی یک باکتری به‌نام Novo مطالعه کرده‌اند که می‌تواند بسیاری از اجزای لیگنین را هضم کند و اصلاح ژنتیکی آن نسبتاً آسان است.

در سال 2019، محققان گونه‌ای از Novo را مهندسی کردند که می‌تواند یک عنصر کلیدی از پلاستیک‌هایی مانند نایلون و پلی‌اورتان به نام PDC تولید کند. اخیراً، تیمی در آزمایشگاه دونوهیو اصلاح دیگری را کشف کردند که به Novo اجازه می‌دهد تا یک ماده پلاستیکی متفاوت به نام ccMA بسازد.

آنها به همین‌جا بسنده نکردند

بن هال، فارغ التحصیل اخیر دکترا که در این تحقیق مشارکت داشته است، می‌گوید: «ما مشکل انتشار کربن خود را تنها با تولید دو محصول حل نمی‌کنیم.»

تیم دونوهیو از مدل‌سازی ژنومی برای ارائه فهرستی از محصولات بالقوه که می‌توان از مواد معطر زیست توده تهیه کرد، استفاده کرد. نزدیک به بالای لیست، زآگزانتین قرار دارد. زآگزاتین گروهی از رنگدانه‌های آلی شناخته شده به‌عنوان کاروتنوئید است.

کاروتنوئیدها که به هویج، کدو تنبل، ماهی قزل آلا و حتی فلامینگوها رنگ متمایزی می‌دهند، به‌عنوان مکمل‌های غذایی، دارویی و آرایشی استفاده می‌شوند و ارزش کل بازار آن به ارزش ده‌ها میلیارد دلار در سال می‌رسد.

محققان می‌دانستند که Novo ژن‌هایی برای تولید یک کاروتنوئید دیگر با ارزش کمی دارد. بر اساس توالی ژنوم باکتری، آنها مشکوک شدند که زآگزانتین در فرآیندی که سلول‌ها برای ساخت مولکول های پیچیده از آن استفاده می‌کنند، پله ای برای رسیدن به کاروتنوئید کم‌ارزش‌تر است.

با حذف یا افزودن‌ ژن‌های انتخابی، آن‌ها سویه‌هایی را مهندسی کردند که زآگزانتین و همچنین سایر کاروتنوئیدهای ارزشمند را تولید می‌کردند.

در مرحله بعد، تیم نشان داد که باکتری‌های مهندسی‌شده‌ می‌توانند همان کاروتنوئیدها را از مشروبی که از ساقه سورگوم آسیاب شده و فرآوری شده تهیه می‌شود، تولید کنند. محلولی که حاوی مخلوطی از مواد معطر است که بسیاری از باکتری‌های صنعتی قادر به هضم آن نیستند.

یک گلدان، دو محصول

هال سپس به این فکر کرد که اگر تغییرات ژنتیکی لازم برای ساخت PDC و یک کاروتنوئید را در همان میکروب ترکیب کند، چه اتفاقی می‌افتد.

سویه‌های به‌دست‌آمده هم PDC و هم کاروتنوئید هدف را بدون افت قابل تشخیص برای هر کدام از بازده تولید می‌کردند. حتی بهتر از آن، باکتری‌ها کاروتنوئیدها را در سلول های خود انباشته کردند، که باید از محلولی که حاوی PDC است، جدا شوند.

هال می‌گوید: «ما درحال جداسازی سلول‌ها هستیم. اکنون محصولی خواهیم داشت که از هر دو تولید می‌شود.»

مراحل بعدی شامل آزمایش این است آیا سویه‌های مهندسی‌شده‌ می‌توانند به‌طور همزمان کاروتنوئیدها و ccMA تولید کنند یا خیر.

در حالی که بازارهای پرسودی برای هر یک از این محصولات وجود دارد، دونوهیو و هال می‌گویند ارزش واقعی این کشف، توانایی افزودن‌ چندین عملکرد به این پلتفرم بیولوژیکی است.