تعمل استراتيجية الهندسة الأيضية الجديدة للاستخدام الفعال للسكر بواسطة الميكروبات على تحسين الإنتاج الحيوي للمواد الخام البوليمرية

نجحت مجموعة بحثية مكونة من طالب الدكتوراه فوجيوارا ريوسوكي، والأستاذ المشارك تاناكا تسوتومو (كلاهما من كلية الدراسات العليا للهندسة بجامعة كوبي) وعالم الأبحاث نودا شوهي (مركز RIKEN لعلوم الموارد المستدامة)، في تحسين إنتاج الإنتاج الكيميائي المستهدف من الكتلة الحيوية. لقد حققوا ذلك من خلال الهندسة الأيضية للبكتيريا المستخدمة في الإنتاج الحيوي، بحيث تستخدم أنواعًا مختلفة من السكر الممتص من الكتلة الحيوية لأهداف منفصلة. هناك مشاكل تواجه عند استخدام الميكروبات لإنتاج المواد الكيميائية المستهدفة؛ إذا استخدمت الميكروبات مصادر الكربون (السكريات) لتكاثرها، ينخفض ​​إنتاج المواد الكيميائية المستهدفة. ومن ناحية أخرى، يؤدي قمع هذا الانتشار إلى إضعاف الميكروبات، مما يؤدي إلى انخفاض عام في الإنتاج. لمحاولة حل هذه المشكلة، طور فريق البحث استراتيجية جديدة تسمى هندسة المسار الأيضي الموازي (PMPE)، مما يسمح لهم بالتحكم في كل من الإنتاج الكيميائي المستهدف وانتشار الميكروبات. لقد استخدموا هذا النهج لتعديل بكتيريا الإشريكية القولونية من أجل تعزيز إنتاج حمض موكونيك السلائف للنايلون بنجاح. إذا أصبح من الممكن استخدام مصدر الكربون المختار فقط لإنتاج المواد الكيميائية المستهدفة واستخدام المصادر المتبقية لتكاثر الميكروبات، فسيؤدي ذلك إلى تحقيق تقدم كبير في إنتاج المركبات العطرية والمواد الخام للمنتجات الطبية والكيميائية. تم نشر نتائج هذا البحث لأول مرة في مجلة Nature Communications في 14 يناير. النقاط الرئيسية تطوير استراتيجية PMPE التي تسمح بالتحكم بشكل مستقل في استخدام السكريات لتكاثر الميكروبات والإنتاج الكيميائي المستهدف. وباستخدام هذا النهج، نجحت مجموعة البحث في زيادة إنتاج حمض الموكونيك (المادة الكيميائية المستهدفة). يمكن تطبيق PMPE على إنتاج مواد خام مختلفة، مثل المركبات العطرية وحمض ثنائي الكربوكسيل، المستخدم في المنتجات الكيميائية والأدوية. من المتوقع تحسين الاستخدام الفعال للمواد الخام، مثل الكتلة الحيوية، التي تحتوي على سكريات متعددة. خلفية البحث نحن نعتمد على الوقود الأحفوري كمواد خام لإنتاج المنتجات المختلفة. ومع ذلك، فإن إنتاج المركبات المشتقة من النفط يزيد من كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، مما يسبب العديد من المشاكل البيئية مثل الاحتباس الحراري. وبالتالي، هناك حاجة لتطوير تقنيات المصفاة الحيوية (*١)، والتي تتضمن استخدام الميكروبات لإنتاج مركبات كيميائية من الموارد المتجددة الوفيرة طبيعيًا مثل الأشجار والمواد النباتية. تتميز المنتجات المشتقة من الكتلة الحيوية بكونها محايدة للكربون (*2)؛ فهي لا تزيد من كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ومن المؤمل أن استخدام الكتلة الحيوية لإنتاج مركبات مفيدة مختلفة يمكن أن يشكل أساسًا لمجتمع منخفض الكربون، مما يقلل من كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. حمض الموكونيك هو مادة كيميائية مفيدة يمكن تحويلها بسهولة إلى حمض الأديبيك، وهو أحد مكونات إنتاج النايلون. كما أنها تستخدم كمادة خام في إنتاج المنتجات الطبية والكيميائية المختلفة. ومع ذلك، يتم تصنيعه حاليًا كيميائيًا من الموارد البترولية. ومن المأمول أن يتم تطوير طريقة تخمير باستخدام الميكروبات والموارد النباتية المتجددة مع ظروف تفاعل أكثر اعتدالًا وعدد أقل من المنتجات الثانوية. ومع ذلك، هناك مشاكل في استخدام الميكروبات لإنتاج المواد الكيميائية المستهدفة من الكتلة الحيوية. هناك العديد من الحالات، على الرغم من أن الميكروبات تستخدم الكتلة الحيوية، إلا أنها تنشر نفسها بدلاً من إنتاج المادة الكيميائية المستهدفة. ومع ذلك، فإن تغيير عملية التمثيل الغذائي لمنع الميكروبات من الزيادة يؤدي إلى إضعافها، مما يعني أنه لا يمكن تصنيع المواد الكيميائية المستهدفة. يعد التوازن بين الانتشار الذاتي للميكروبات والإنتاج الكيميائي المستهدف مشكلة كبيرة. لحل هذه المعضلة، طور فريق البحث تقنية جديدة تسمى هندسة المسار الأيضي الموازي (PMPE) حيث قاموا بفصل استخدام السكر بين انتشار الميكروبات والإنتاج الكيميائي المستهدف، مما يسمح لهم بالتحكم في كل عملية بشكل مستقل. محتوى البحث تتكون الكتلة الحيوية الليجنوسليلوزية، التي لا تتنافس مع الإمدادات الغذائية العالمية، من سكريات الجلوكوز والزيلوز. قام فريق البحث بتطوير استراتيجية استقلابية تتضمن تعديل بكتيريا الإشريكية القولونية بحيث تستخدم الجلوكوز لإنتاج المواد الكيميائية المستهدفة والزيلوز لنشر الميكروبات. في الميكروبات العادية، يستخدم الجلوكوز والزيلوز نفس المسار الأيضي وكلاهما يستخدم لنمو الميكروبات والإنتاج الكيميائي المستهدف. وهذا يقلل من كمية المادة الكيميائية المستهدفة التي يتم تصنيعها لأن الميكروبات تمتص السكريات لإنتاج والحفاظ على العناصر والطاقة التي تحتاجها للعيش. وللتخفيف من هذه المشكلة، طورت مجموعة البحث استراتيجية جديدة تسمى PMPE. يسمح تقسيم المسار الأيضي للميكروبات باستخدام كل سكر بشكل مستقل مع استخدام كل الجلوكوز لإنتاج المواد الكيميائية المستهدفة وكل الزيلوز المستخدم في انتشار الميكروب وصيانته. سمح هذا بإنتاج إنتاج أكبر من المادة الكيميائية المستهدفة لأنه لم يتم استخدام أي من الجلوكوز لنمو الميكروبات. قدمت هذه المجموعة البحثية مسارًا أيضيًا لبكتيريا الإشريكية القولونية المعدلة لتصنيع حمض الموكونيك. استخدمت الإشريكية القولونية المعدلة الجلوكوز والزيلوز، مما أدى إلى إنتاج المادة الكيميائية المستهدفة. نجح الباحثون في إنتاج 4.26 جم/لتر من حمض الموكونيك بإنتاجية 0.31 جم/جم جلوكوز. ويعتبر هذا أعلى عائد في العالم، مما يثبت فعالية استراتيجية PMPE. بعد ذلك، قام الباحثون بالتحقيق فيما إذا كان من الممكن تطبيق استراتيجية PMPE على إنتاج المواد الكيميائية المستهدفة بخلاف حمض الموكونيك. ونتيجة لذلك، نجحوا في زيادة إنتاجية الأحماض الأمينية الأساسية والمركب العطري فينيل ألانين، و1،2- بروبانديول، الذي يستخدم كمادة مضافة في الأدوية والمنتجات الغذائية. أظهرت هذه النتائج أن PMPE هي تقنية متعددة الاستخدامات يمكن استخدامها لإنتاج مجموعة متنوعة من المركبات بكفاءة. مزيد من التطورات ومن المتوقع أن تقنية PMPE التي طورتها هذه المجموعة البحثية يمكن تطبيقها لزيادة إنتاج مجموعة واسعة من المواد الخام، مثل المركبات العطرية وحمض ثنائي الكربوكسيل، المستخدمة في المنتجات الطبية والكيميائية. علاوة على ذلك، فإن استراتيجية تغيير التمثيل الغذائي للبكتيريا ستسمح باستخدام الكتلة الحيوية التي تحتوي على سكريات متعددة بشكل أكثر كفاءة. ملاحظات *1 تقنيات المصافي الحيوية هي تقنيات لإنتاج الوقود الحيوي والبلاستيك الحيوي ومكونات الأدوية وما إلى ذلك باستخدام موارد الكتلة الحيوية المتجددة. *2 الكربون المحايد مفهوم للحفاظ على كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ثابتة عن طريق موازنة انبعاثات الكربون بإزالة الكربون، أو عن طريق القضاء على انبعاثات الكربون تمامًا. يعد استخدام الكتلة الحيوية بدلاً من الوقود الأحفوري مثالاً على عملية محايدة الكربون.