كسر الحواجز

وطور علماء المعهد علاجا أوليا يسمح بإزالة مادة اللجنين الموجودة في النبات دون الإضرار بالسكريات

ويمكن تحويل الكتلة الحيوية للنباتات إلى وقود نظيف وصديق للبيئة، ولكن هذا التحويل لم يتم تنفيذه بعد على نطاق واسع، ويرجع ذلك جزئيًا إلى تكلفته العالية. ومع ذلك، فإن التمثيل المرئي للعملية على المستوى الذري قد يؤدي إلى تحسين تحويل الكتلة الحيوية - وفقًا لدراسة أجراها علماء من معهد وايزمان للعلوم والمختبر الوطني للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة.

وأكدت الدراسة التي نشرت في مجلة ساينس العلمية النظرية القائلة بأن أحد أكبر العوائق أمام تحويل الكتلة الحيوية هو اللجنين، وهو البوليمر الصلب الذي يقوي النباتات. يبدأ التحويل عادةً بالمعالجة المسبقة، حيث يتم سحق اللجنين ميكانيكيًا، أو تدميره باستخدام المواد الكيميائية. وفي الدراسة الجديدة، طور العلماء طريقة مبتكرة، مكنت لأول مرة من مراقبة تدمير اللجنين بدقة الجزيئات والذرات الفردية، باستخدام مجهر ليزر متقدم. وأظهرت الصور أن اللجنين يتداخل مع الإنزيمات لتحطيم جزيئات السكر المعقدة في جدران الخلايا النباتية. ويمكن تحويل جزيئات السكر هذه لاحقًا إلى إيثانول، وهو نوع من الوقود الحيوي. بفضل هذا الاكتشاف، حدد العلماء المعالجة المسبقة المثالية: يجب إزالة اللجنين دون التسبب في ضرر للسكريات.

قارن العلماء بين طريقتين لتكسير السكريات. تعتمد إحدى الطرق على إنزيمات منفردة مستخرجة من الفطريات. وفي الطريقة الأخرى، يتم التحلل بواسطة السليلوز - وهو مجموع جزيئي طبيعي يتكون من عدة إنزيمات، والتي من خلالها تقوم البكتيريا والفطريات والكائنات الحية الدقيقة الأخرى بتفكيك السليلوز في النباتات. واكتشف العلماء أن الإنزيمات الفردية تغلغلت بشكل أعمق في الخلايا النباتية، بينما يعمل السليلوز بشكل رئيسي على سطحها. إن فهم الآليات المستخدمة في تحطيم الكتلة الحيوية السليولوزية قد يساعد في تصميم أنظمة إنزيمية من شأنها تحطيم جدران الخلايا النباتية بشكل أكثر كفاءة.

تم اكتشاف السليلوز قبل حوالي ثلاثة عقود من قبل البروفيسور إد باير من قسم الكيمياء البيولوجية في معهد وايزمان والبروفيسور رافائيل ليميد من جامعة تل أبيب. في الدراسة الحالية، تعاون البروفيسور باير مع علماء من المختبر الوطني للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة، بما في ذلك الدكتور شي يو دينغ، الذي أجرى أبحاث ما بعد الدكتوراه في مختبر باير في أواخر التسعينيات. قام الدكتور دينغ والدكتور يو سان لي بتطوير طرق تصور تأثيرات المواد الكيميائية المختلفة على جدار الخلية النباتية، في نطاقات دقة مختلفة، أكبرها أكبر بمليون مرة من أصغرها: من المليمتر إلى النانومتر (مليون من المليمتر). أما أعضاء الفريق الآخرون في الولايات المتحدة الأمريكية فهم الدكتور مايكل هيمل، والدكتور يونينغ تسنغ، والدكتور جون بيكر.

قد تساعد نتائج البحث الباحثين على تطوير معالجة مسبقة مثالية للكتلة الحيوية، وتحسين نشاط الإنزيمات التي تحطمها. ومن شأن هذه التحسينات أن تزيد من إنتاج الإيثانول، وتخفض تكلفة إنتاج الوقود الحيوي.

ملاحظة تاريخية: تم إنتاج السليلوز في هذه الدراسة من بكتيريا تسمى Clostridium thermocellum، وهي تنتمي إلى نوع البكتيريا المرتبطة تاريخيا بمعهد وايزمان ودولة إسرائيل. استخدم الدكتور حاييم وايزمان بكتيريا أخرى من نفس النوع، وهي Clostridium acetobutylicum - المعروفة اليوم باسم "بكتيريا وايزمان" - لإنتاج الأسيتون خلال الحرب العالمية الأولى. مؤخرا، اكتشف علماء معهد وايزمان صلة أخرى بين الماضي والحاضر: أظهرت الدراسات الجينية أن "بكتيريا وايزمان" تنتج السليلوز الخاص بها.