(في تحد للطبيعة)إعادة تدوير ثاني أوكسيد الكربون
يجد العلماء الآن طرقًا لتحويل تلوث ثاني أكسيد الكربون الصناعي إلى المكونات التي نستخدمها في صنع المنتجات اليومية مثل البلاستيك والأدوية.
بدلاً من ترك ثاني أكسيد الكربون يحبس الحرارة في غلافنا الجوي، تتعامل هذه التقنية الجديدة مع الغاز كما لو كان صندوقًا من “مكعبات ليغو الكربون” لبناء مستقبل أكثر استدامة.
مسار الإصلاح
قام الباحثون ببناء وتسمية مسار الفورمات المختزل، والذي أطلق عليه اسم مسار ReForm، لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أسيتيل-CoA خارج الخلايا الحية.
أسيتيل-CoA جزيء صغير ولكنه أساسي تستخدمه خلاياك لتحويل الطعام إلى طاقة. عندما يقوم جسمك بتكسير الكربوهيدرات والدهون والبروتينات، فإنه غالبًا ما يحوّل نواتج التكسير إلى أسيتيل-CoA.
ومن هناك، يحمل أسيتيل-CoA حزمة كيميائية صغيرة تسمى مجموعة الأسيتيل إلى دورة حمض الستريك، حيث تقوم خلاياك “بحرقها”.
تُطلق هذه العملية طاقةً، ويستغلها الجسم لإنتاج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، وهو العملة الأساسية للطاقة التي تُغذي وظائف الخلايا.
تُبين هذه الدراسة كيف يُمكن دمج الإنزيمات المُهندسة، والمواد الكربونية الأولية المُستمدة من الكهرباء، والأنظمة الخالية من الخلايا لإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون إلى لبنات بناء كيميائية مفيدة، مع تجاوز قيود الخلايا الحية، والإشارة إلى طرق جديدة لإنتاج مواد ذات بصمة كربونية أقل.
تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أسيتيل-CoA
قاد العمل آشتي كريم، الحاصل على درجة الدكتوراه، في جامعة نورث وسترن ، وساعد المتعاونون في جامعة ستانفورد في تجميع المسار.
يركز بحثها على تصميم مسارات إنزيمية لإعادة تدوير الكربون، وهذا التركيز يجعل مسار ReForm أسهل في التحسين.
“لقد تسبب إطلاق ثاني أكسيد الكربون بشكل متواصل في العديد من التحديات الاجتماعية والاقتصادية الملحة للبشرية”، هذا ما قالته أشتي كريم من جامعة نورث وسترن.
“إذا أردنا معالجة هذا التحدي العالمي، فنحن بحاجة ماسة إلى طرق جديدة لتصنيع السلع بطريقة خالية من الكربون.”
يُمكّن نظام خالٍ من الخلايا الباحثين من التحكم المباشر في كل مكون. تبدأ المادة الأولية على شكل فورمات، وهو مركب كربوني بسيط يبقى مذابًا في الماء، ويمكن تخزينه كسائل.
بما أن الفورمات يحمل بالفعل الكربون والهيدروجين، تستطيع الإنزيمات بناء جزيئات أكبر بإضافة الروابط خطوة بخطوة. وهذا لا يُجدي إلا إذا تمت الخطوات اللاحقة بكفاءة، وهو ما يهدف إليه مسار إعادة التكوين.
تحويل الكهرباء إلى مواد خام
إن استخدام الكهرباء لإضافة الإلكترونات وتغيير الجزيئات، وهو ما يسمى بالاختزال الكهروكيميائي ، يمكن أن يحول ثاني أكسيد الكربون إلى إنزيمات الفورمات التي يمكن استخدامها كمادة خام.
تقوم الإنزيمات بعملية البناء الانتقائي، لأن البروتينات تفضل أشكالاً وروابط محددة. يمكن للأنظمة الهجينة تحويل الطاقة المتقطعة إلى سوائل ومواد صلبة مخزنة، ولكن يجب على المهندسين تحقيق التوازن بين الكفاءة والتكلفة والمتانة.
تستطيع الخلايا الحية تحويل العديد من الأطعمة إلى طاقة وأجزاء، ومع ذلك فإن معظمها يكافح لاستخدام الفورمات كمصدر رئيسي للكربون.
يجب على الخلية أن تحافظ على حياتها أثناء معالجة الفورمات، وهذا التوازن الدقيق يحد من كمية الكربون التي تصل إلى جزيئات المنتج.
“يمكن لـ ReForm استخدام مصادر الكربون المتنوعة بسهولة، بما في ذلك الفورمات والفورمالديهايد والميثانول”، كما قال مايكل جويت من جامعة ستانفورد، الذي شارك في قيادة الدراسة مع كريم.
“هذا هو أول عرض توضيحي لبنية مسار أيضي اصطناعي قادر على القيام بذلك. ومن خلال الجمع بين الكيمياء الكهربائية والبيولوجيا التركيبية، يوسع مسار ReForm أيضًا الحلول الممكنة لاستراتيجيات تثبيت ثاني أكسيد الكربون القابلة للتعميم.”
الفحص السريع يكشف عن الإنزيمات العاملة
لقد تطلب إيجاد المتغيرات الإنزيمية المناسبة، وهي نسخ بروتينية مختلفة قليلاً تم إنتاجها عن طريق تغيير الأحماض الأمينية، إجراء اختبارات سريعة خارج الخلايا.
باستخدام مستخلصات خالية من الخلايا ، اختبر الفريق 66 إنزيمًا مرشحًا تم استخلاصها من العديد من الأنواع، ثم احتفظوا فقط بأفضلها أداءً.
يمكن للتحكم على سطح الطاولة تسريع عملية النمذجة الأولية، ولكن كل وصفة لا تزال بحاجة إلى ضبط مستويات الإنزيم والجزيئات المساعدة من أجل الإخراج.
تطلب المسار تفاعلات غير طبيعية، وخطوات كيميائية غير موجودة في أي كائن حي، لبناء الكربون من الفورمات.
أعاد الباحثون تصميم خمسة إنزيمات بحيث يقوم كل منها بالتقاط جزء من الكربون أو اختزاله، ثم يمرره إلى الإنزيم التالي.
قال كريم: “عادةً ما يقوم الناس باختبار عدد قليل من الإنزيمات، وهذا يستغرق شهورًا أو أكثر”.
أسيتيل-CoA ومسار إعادة التشكيل
لماذا نرسم مسارًا أيضيًا، وهو سلسلة من تفاعلات الإنزيم التي تغير الجزيئات خطوة بخطوة، قبل أن يلمس أي إنزيم أنبوبًا؟
في مسار إعادة التشكيل، تقوم ست خطوات بتحويل الفورمات إلى أسيتيل-CoA عن طريق إضافة الكربون ونقل الإلكترونات من خلال جزيئات مساعدة.
يغذي أسيتيل-CoA العديد من تفاعلات النمو والتخزين ، لذا فإن الوصول إليه يخلق نقطة انطلاق مرنة لصنع العديد من المواد الكيميائية الأخرى.
تعتمد العديد من الإنزيمات على عامل مساعد، وهو جزيء مساعد ضروري للخطوات الكيميائية، لنقل الإلكترونات والحفاظ على نشاطها.
من خلال تعديل كميات العوامل المساعدة وأحمال الإنزيمات، رفع الباحثون معدلات التفاعل، وهو أمر مهم عندما تشترك العديد من الخطوات في نفس المجموعة.
تكون تلك المقابض بسيطة في أنبوب الاختبار، لكن التحكم فيها يصبح أكثر صعوبة في المفاعلات الكبيرة ذات حدود الحرارة والخلط.
يائسون من أجل حلول الكربون
أدت الأنشطة البشرية إلى ارتفاع درجة حرارة الأرض بنحو 2.0 درجة فهرنهايت منذ عام 1850-1900، وهذه الحرارة تجعل إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون أمراً ملحاً.
يعتبر العلماء أن العملية سالبة الكربون – أي أنها تزيل كمية من ثاني أكسيد الكربون تفوق ما تنبعث منه – فقط عندما يظل استهلاكها للطاقة منخفضًا خلال مرحلتي الاحتجاز والإنتاج.
تقوم فحوصات دورة الحياة بجمع الانبعاثات الناتجة عن الطاقة والمعدات، ثم توضح ما إذا كان التصنيع القائم على ReForm يقلل بالفعل من انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري.
الخطوات التالية لإعادة استخدام الكربون
يعتمد تثبيت الكربون بشكل أكثر كفاءة، أي تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى جزيئات عضوية ، على إيجاد تفاعلات سريعة تهدر القليل من الطاقة.
يخطط فريق كريم لتحسين أداء الإنزيم واستكشاف مسارات بديلة، لأن المكاسب الصغيرة في كل خطوة يمكن أن تتراكم.
“من هنا، يمكننا أن نتخيل أن هذا العمل سيتجه في اتجاهين مختلفين”، قال كريم.
يوضح مسار ReForm مجتمعاً كيف يمكن للإنزيمات المهندسة أن تحول الكربون المحتجز إلى لبنات بناء شائعة دون الحاجة إلى كائنات حية.
سيعتمد النجاح المستقبلي على الكهرباء النظيفة، والإنزيمات المتينة، والمحاسبة الدقيقة التي تثبت أن العملية برمتها تزيل المزيد من الكربون.
نُشرت الدراسة في مجلة Nature .