قام علماء معهد وايزمان للعلوم بهندسة البكتيريا لإنتاج السكر من غاز ثاني أكسيد الكربون الدفيئة
تعتمد كل أشكال الحياة على الأرض، بطريقة أو بأخرى، على تثبيت الكربون: قدرة بعض النباتات والطحالب والبكتيريا على "امتصاص" ثاني أكسيد الكربون (CO2) من البيئة وتحويله - بمساعدة الطاقة الشمسية - إلى السكريات التي تستخدم كمادة أولية ضرورية للعمليات الحياتية (عملية تسمى تثبيت الكربون). في أعلى السلسلة الغذائية هناك مخلوقات مختلفة (يعتقد بعضها، ربما خطأً، أنها "أكثر تقدماً")، تعمل في الاتجاه المعاكس: فهي تستهلك السكريات (التي تنتجها الكائنات والنباتات المنتجة) و "في المقابل"، إطلاق ثاني أكسيد الكربون في البيئة. تُعرف طريقة التكاثر هذه باسم "التغاير" أو "الاستهلاكية" بالعبرية. البشر هم بالطبع "مستهلكون" بالمعنى البيولوجي لأن مصدر كل الطعام الذي نستهلكه يأتي من عمليات تثبيت الكربون التي يقوم بها المنتجون غير البشر.
هل من الممكن "إعادة برمجة" كائن موجود في قمة السلسلة الغذائية، يستهلك السكريات ويطلق ثاني أكسيد الكربون، بحيث يستخدم ثاني أكسيد الكربون من البيئة، وينتج السكريات التي يحتاجها لبناء جسمه؟ وتبين أن هذا هو بالضبط ما فعله علماء معهد وايزمان للعلوم مؤخرًا. ד”ר ניב אנטונובסקי, שהוביל את המחקר במעבדתו של פרופ' רון מילוא במחלקה למדעי הצמח והסביבה, אומר שהיכולת לשפר קיבוע פחמן חיונית ליכולתנו להתמודד עם אתגרים עתידיים כמו הצורך לספק מזון לאוכלוסייה גדלה, על משאבי קרקע פוחתים, תוך הפחתת השימוש בפחם, נפט וגז طبيعي.
قرر علماء المعهد، الذين أرادوا الاستعداد لهذا التحدي، محاولة إدخال المسار الأيضي الذي يقوم بتثبيت الكربون وإنتاج السكر (دورة كلفن) في بكتيريا الإشريكية القولونية، والتي تُعرف في الواقع باسم "المستهلك" - مخلوق يأكل السكر ويطلق ثاني أكسيد الكربون.
إن المسار الأيضي لتثبيت الكربون معروف جيدًا، ويقدر البروفيسور ميلو وأعضاء مجموعته أنه من خلال التخطيط السليم سيكون بمقدورهم إضافة الجينات التي تحتوي على المعلومات اللازمة لبنائها إلى جينوم البكتيريا. ومع ذلك، فإن الإنزيم الرئيسي المستخدم لتثبيت الكربون، وهو روبيسكو، يعمل مع مادة تشارك في عملية التمثيل الغذائي (المستقلب) المعروفة بأنها سامة للخلايا البكتيرية. ولذلك، فإن التصميم الجيني المتجدد للبكتيريا يجب أن يتضمن تنظيمًا دقيقًا لمستويات التعبير للجينات المختلفة، عبر مسار متعدد الخطوات.
إلى حد ما، نجحت خطة فريق البحث جيدة التخطيط: أنتجت البكتيريا إنزيمات تثبيت الكربون، وعملت بشكل صحيح. لكن الآلية في مجملها لم تقم بعملها و"لم تقم بتسليم البضاعة". الدكتور أنطونوفسكي: "بالطبع نحن نتعامل مع كائن تطور عبر ملايين السنين ليأكل السكر، وليس ثاني أكسيد الكربون. ولهذا السبب قررنا تسخير التطور لمساعدتنا في إنشاء النظام الذي أردناه."
قام الدكتور أنطونوفسكي والبروفيسور ميلو وأعضاء مجموعة البحث، بمن فيهم الدكتورة يهوديت زوهر، وطالب البحث السابق الدكتور آرن بار إيفان، وطلاب البحث شموئيل جليزر وإيلاد هيرتز وباحثون آخرون، بزراعة البكتيريا ودفعها - ببطء وتدريجياً - تطوير الشهية لثاني أكسيد الكربون. في البداية، إلى جانب فقاعات ثاني أكسيد الكربون التي تتدفق بسخاء في الحاويات، تم أيضًا تقديم مادة (البيروفات) للبكتيريا يمكن أن تكون مصدرًا للطاقة، بالإضافة إلى كمية صغيرة جدًا من السكر، والتي بالكاد تكفي لاستهلاكها. نجاة. وهكذا، من خلال تغيير الظروف البيئية، وخلق سلالة، أجبر العلماء البكتيريا على التعلم، من خلال التكيف والتطور، للاستفادة من المواد الأكثر شيوعا في بيئتها. وبعد مرور شهر، لم يتغير الوضع إلا بالكاد. رفضت البكتيريا "الحصول على التلميح". ولكن بعد حوالي شهر ونصف، بدأت بعض البكتيريا تظهر علامات على أنها لا "تبقى على قيد الحياة فحسب". وفي الشهر الثالث، تمكن العلماء من فطام البكتيريا المتطورة عن السكر وزراعتها على ثاني أكسيد الكربون والبيروفات فقط. وكشفت العلامات النظائرية لجزيئات ثاني أكسيد الكربون أنه بالفعل المادة التي تستخدمها البكتيريا لتكوين جزء كبير من كتلة الجسم، بما في ذلك جميع السكريات اللازمة لتكوين الخلية.
في هذه المرحلة، قام العلماء بتسلسل جينوم البكتيريا المتطورة، ووجدوا العديد من التغييرات المنتشرة في جميع أنحاءها. يقول البروفيسور ميلو: "لقد كانت مختلفة تمامًا عن توقعاتنا". "لقد استغرقنا عامين من العمل الشاق لفهم أي من هذه التغييرات يعتبر ضروريًا حقًا، ولفك رموز" المنطق "الذي يكمن في أساس التطور الذي خضعت له". إن تكرار التجربة (والانتظار لمدة شهر آخر) أعطى العلماء أدلة حيوية لتحديد الطفرات اللازمة لتغيير العادات الغذائية للبكتيريا E. coli، فبدلاً من استهلاك السكر، سوف يستهلكون ثاني أكسيد الكربون.
البروفيسور ميلو: "إن القدرة على برمجة أو إعادة هندسة بكتيريا الإشريكية القولونية بحيث تقوم بتثبيت الكربون، قد تمنح الباحثين مجموعة أدوات جديدة لدراسة هذه العملية الأساسية وتحسينها." في التطبيق الحالي، يتعين على البكتيريا الحصول على طاقتها من مصدر يحتوي بالفعل على الكربون، ثم ينبعث منه في الهواء. ويتوقع العلماء أنه سيكون من الممكن في المستقبل تطبيق الأفكار المكتسبة في هذا البحث على تصميم أو هندسة البكتيريا التي ستمتص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتحوله إلى طاقة مخزنة. وعلى المدى الطويل، قد تعلمنا رؤى البحث كيفية زيادة المحاصيل الزراعية من خلال مسارات عزل الكربون الأكثر ملاءمة لإطعام سكان العالم المتزايدين.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 30
تروليك ونصف.
شكرا لك على هوسك معي.
هل يمكنك الإشارة إلى إجابتك الوحيدة وفي أي مكان وفي أي وقت لا يتعلق الأمر بي وحدي؟
ساروليك
هل تتذكر فيلم "زهور لألجرنون"؟ ضع نفسك في مكانه. هو المزدوج الخاص بك.
ساروليك
إنهم يرسلون لك الزهور الرقمية فقط. هل تتذكر فيلم "زهور لألجرنون"؟
شكرا تروليك
(الجماهير لا ترتاح..).
ساروليك
هناك واحد ونصف وهناك موشيه، كل منهما على حدة وكلاهما يحبك.
الساعة الواحدة والنصف، ألم تكن أنت موشيه بالأمس؟
مرحبا ساروليك
ما هو الجديد؟ هل استيقظت لم نسمع منك منذ فترة. أفهم أنك عدت من ستوكهولم. مبروك حصولك على جائزة نوبل.
يودا
من الصيغة يبدو هذا البيروفات قليلا من الكاكاو. أليس من الأفضل تعليم الميكروبات كيفية التمثيل الضوئي مثل أي شخص آخر وإبرام الصفقة؟
إسرائيل شابيرا
من ويكيبيديا: البيروفات (بالإنجليزية: Pyruvate) هو مركب عضوي صغير له أهمية قصوى في جميع [
الإنتاجات الحية.
CH3COCOOH
إلى دانيال لها
كل ما كتبته صحيح ولكن لا ينتمي. نحن لا نستخدم الطاقة لإنتاج نفس الكمية من الطاقة. بدلاً من الركض والاتصال بي بشخص لا يفهم أي شيء، وما إلى ذلك، وما إلى ذلك، لذا يرجى البحث بشكل أعمق قليلاً وربما تصل إلى جوهر رأيي المتواضع. أنا لا أفهم الكثير عن العلوم، لكنها العلوم أ، ب، وكل طفل في جينون يعرف ذلك.
باستثناء داني، ابني لطيف.
يوم جيد
ومرة أخرى، يرجى الرد بلطف
يهودا
يودلا
عند استخراج النفط من الأرض ونقله إلى محطة توليد الكهرباء، فإنك تستخدم أيضًا الطاقة لإنتاج الطاقة. أنت بحاجة إلى الطاقة لضخ النفط من الأرض، وتحتاج إلى الطاقة للسفن التي تنقل النفط إلى محطات الطاقة. خطر . أنت تستمر في إطلاق الهراء بكميات تجارية.. أنا آسف ولكن ليس لديك فهم كبير للعلم.
يهودا، في المقال الكامل، تم بالفعل تفصيل أن الوضع الحالي - إدخال الكربون لصالح تثبيت الكربون - هو مرحلة وسيطة في الطريق إلى إدخال الطاقة لتثبيت الكربون. وطور المقال القدرة على صنع الكربون الاصطناعي الذي لم يكن موجودا من قبل، والهدف المستقبلي هو صنعه على أساس الطاقة المتجددة وليس على أساس الطاقة المنتجة من مواد الكربون العضوية.
يودا
يعرف كل ميكروب منذ الطفولة كيفية استهلاك الطاقة وتحويلها إلى PDH، وكثيرون يفعلون ذلك. الحيلة الحقيقية هي عكس الإنتروبيا المحلية، مثلما تفعل النباتات.
لكن بقدر ما أفهم، فإن هذا البيروفات هو مصدر الطاقة (ليس لدي أي فكرة عن ماهية البيروفات).
מאיה
ومن المفترض أن تنتج هذه البكتيريا الوقود من ثاني أكسيد الكربون. إذا وضعنا الوقود فيها لإنتاج الوقود، فلم نفعل شيئًا ولا ننفق سوى النفقات، ولكن إذا أخذنا ثاني أكسيد الكربون وضوء الشمس الحر والماء المجاني وأنتجوا لنا الوقود، فقد ربحنا!. هذا ما يعنيه
مساء الخير
يهودا
يهودا
أنا لا أفهم ما قلته. بالطبع عليك أن تضع الطاقة للحصول على الطاقة. وهذا ما يفعله النظام البيولوجي - تحويل نوع من الطاقة إلى نوع آخر من الطاقة - الطاقات عديمة الفائدة إلى طاقات مفيدة. هل فاتني شيء؟
منافس
فكرتك غير مقبولة بالنسبة لي على أقل تقدير. ضع الطاقة في البكتيريا لتحصل على…. الطاقة؟، فما فائدة الحكماء؟؟، وأعتقد أن البكتيريا ستستخدم أيضًا عملية التمثيل الضوئي لهذا الغرض.
كان ينبغي للمقال أن يتناول هذا الموضوع بالتفصيل، في رأيي.
يهودا
تجربة رائعة حقًا في رأيي، أعجبتني حقًا الفكرة والتنفيذ والنتائج. هكذا يتم العلم، التطور أمام أعيننا وما زال هناك من ينكره.
بندق،
ربما كانت بديلاً للطاقة الشمسية:
"إلى جانب فقاعات ثاني أكسيد الكربون التي انفجرت بسخاء في الحاويات، تم تقديم مادة (البيروفات) للبكتيريا يمكن أن تكون مصدرًا للطاقة."
في عملية التمثيل الضوئي، مصدر الطاقة هو الضوء. عملية إطلاق ثاني أكسيد الكربون هي عملية ماصة للحرارة. ما هو مصدر الطاقة للبكتيريا؟
إنها تشبه إلى حد كبير عملية التمثيل الضوئي في النباتات، إلا أن العملية تعتمد أيضًا على الإشعاع الضوئي وبالإضافة إلى السكريات، تتشكل أيضًا جزيئات الأكسجين، هنا حسب ما أفهم العملية مختلفة قليلاً.
يهودا،
نعم، يحتوي ثاني أكسيد الكربون والماء على ذرات الأكسجين التي تستخدم في تكوين السكريات، وأعتقد أنك تتحدث عن جزيئات الأكسجين الحرة الموجودة في الهواء لأن هذا هو القلق الذي تشير إليه التعليقات الأولى المكتوبة هنا.
على افتراض أن البكتيريا ستنتج سكر الجلوكوز C6H12O6، فإنها ستكون قادرة على الحصول على H من الماء ومن هناك الأكسجين من بيروكسيد الهيدروجين. كيمياء بسيطة. معرفة شخصية.
يرجى الرد بلطف
يهودا
يهودا،
"أثناء عملية إنتاج السكر، ستستخدم البكتيريا أيضًا الكثير من الأكسجين الذي ستأخذه من الماء أو الهواء"
عندي فضول، على أي أساس كلامك؟
أم أنك في حيرة من أمرك أيضاً؟
نعم قرأت المقال باهتمام كبير.
لقد ذكرت الأكسجين بالخطأ، أقصد ثاني أكسيد الكربون. إذا تكاثرت البكتيريا دون تحكم وكان الشيء الوحيد الذي سيحد من زراعتها هو PDH، فإنها ستستمر في التكاثر حتى ينخفض مستوى PDH إلى مستوى غير كافٍ لها.
في الوقت الحالي نحن أسرى لمفهوم أن PAD هو شيء سيء يجب إيجاد طرق للتخلص منه، لكنه سيء فقط لأنه موجود حاليًا بشكل زائد في الغلاف الجوي. إذا غاب سنكون في مشكلة مختلفة.
يهودا،
على أي أساس كلامك؟
لم أرى ذكرا لمثل هذا في المقال، وفيما يتعلق بالمنافسة مع النباتات... يبدو لي أن ثاني أكسيد الكربون يكفي الجميع، في الوقت الحالي المشكلة هي كيفية التخلص منه.
للخصم وغيره
وفي عملية إنتاج السكريات، ستستخدم البكتيريا أيضًا الكثير من الأكسجين الذي ستأخذه من الماء أو الهواء. لكن مثل هذه البكتيريا التي تهرب إلى هواء العالم قد تتنافس مع عملية التمثيل الضوئي للنباتات وتتسبب في فشل النباتات بشكل كبير. أفضّل أن يتم التحقيق في هذه المشكلة. وإذا لم يكن الأمر خطيرا، فإن هذه البكتيريا التي من شأنها أن تقلل من انبعاث ثاني أكسيد الكربون، لها فائدة عليا، وأيضا في مشكلة الاحتباس الحراري.
يهودا
هل أنت متأكد أنك قرأت المقال؟ نحن نتحدث هنا عن البكتيريا التي، مثل النباتات، تستهلك ثاني أكسيد الكربون (نفس ثاني أكسيد الكربون الذي ينبعث منه في عملية التنفس) وتحوله إلى سكريات ليستخدمها الجسم.
عن أي خطر تتحدث؟ أين تم ذكر استهلاك الأكسجين هنا؟ وعلى العكس من ذلك، فإن مثل هذه البكتيريا قد تكون مفيدة فقط وتساعد في تنظيف الجو من ثاني أكسيد الكربون المسبب للاحتباس الحراري.
وأنا أتفق مع المعلقين اللذين سبقوني.
المذهل والخطير هما بالضبط الشيئان اللذان خطرا على ذهني أثناء القراءة.
ومن المثير للاهتمام أن تسرب مثل هذه البكتيريا المعدلة وراثيا يمكن أن يسبب انخفاضا في نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي والقضاء على الأنواع النباتية.
مدهش! مقالة رائعة!
إحدى هذه البكتيريا التي تتسرب من المختبر وتتمكن من البقاء على قيد الحياة يمكن أن تشكل مشكلة خطيرة للغاية إذا وجدت مكانًا مناسبًا حيث يمكنها البقاء على قيد الحياة ومواصلة تطورها.