إنتاج الوقود الحيوي من خلايا الخميرة

تنتج الخميرة والسكر الزيوت والدهون، المعروفة باسم الدهون، والتي يمكن استخدامها كبدائل للمنتجات المشتقة من النفط.

نجح باحثون من جامعة تكساس في تطوير مصدر جديد للطاقة المتجددة على شكل وقود حيوي، من خلايا الخميرة المعدلة وراثيا وسكر المائدة العادي. تنتج هذه الخمائر الزيوت والدهون، المعروفة بالدهون، والتي يمكن استخدامها كبديل للمنتجات المشتقة من البترول.

ونجح البروفيسور هال ألبر من قسم الهندسة الكيميائية بجامعة تكساس في هيوستن، مع فريقه من الباحثين، في تطوير العملية الأصلية المعتمدة على الخلايا المبتكرة. ونظرًا لحقيقة أن خلايا الخميرة تنمو في بيئة سكرية، فقد أطلق الباحثون على الوقود الحيوي الناتج عن هذه العملية اسم "نسخة متجددة من الزيت الحلو".

نجحت العملية الجديدة للباحثين في إنتاج أعلى تركيز من الزيوت والدهون على الإطلاق كجزء من عملية التخمير، وهي نفس العملية التي يتم من خلالها زراعة خلايا خاصة مصممة لتحويل السكر إلى منتجات مفيدة أخرى، مثل الكحول أو الغازات أو الأحماض. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Nature Communications في 20 يناير من هذا العام.

وتمكن الباحثون من جعل خلايا الخميرة تحول ما يصل إلى 90% من مذيباتها إلى دهون، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لإنتاج وقود الديزل الحيوي. "للمقارنة، تقترب قيمة الدهون من التركيزات التي نعرفها في العديد من العمليات البيوكيميائية الصناعية"، يوضح الباحث الرئيسي. "يمكن أخذ الدهون الناتجة واستخدامها نظريًا لدفع المركبات."

وبما أن المكونات الدهنية هي اللبنات الأساسية للعديد من المنتجات المنزلية، فسيكون من الممكن استخدام هذه العملية لإنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات التي يتم إنتاجها اليوم من البترول أو الزيوت الطبيعية - بدءًا من النايلون، مرورًا بالمضافات الغذائية وانتهاءً بالوقود. يمثل الوقود الحيوي والمواد الكيميائية المنتجة من الكائنات الحية جزءًا واعدًا من سوق الطاقة المتجددة. وفي المجمل، من المتوقع أن يتضاعف حجم سوق الوقود الحيوي العالمي خلال السنوات القليلة المقبلة، من مستوى 83 مليون دولار في عام 2011 إلى مستوى 185 مليون دولار في عام 2021.

يوضح الباحث الرئيسي: "لقد أخذنا سلالة الخميرة الأولية (Yarrowia lipolytica) وتمكنا من تحويل خلاياها إلى مصنع لإنتاج الزيت مباشرة من السكر". "إن بحثنا يمهد الطريق لعمليات جديدة تمامًا لإنتاج الطاقة المتجددة وتطوير المصادر الكيميائية." إن وقود الديزل الحيوي المنتج من خلايا الخميرة يشبه في تركيبه وقود الديزل الحيوي المنتج من زيت فول الصويا. تكمن مزايا استخدام خلايا الخميرة لإنتاج وقود الديزل الحيوي على المستوى التجاري في حقيقة أن خلايا الخميرة يمكن زراعتها في أي مكان، وأنها لا تتنافس على مناطق النمو الأرضية أو البحرية، كما أنها أسهل في التعديل الوراثي من مصادر وقود الديزل الحيوي الأخرى.

وقال مدير مركز المواد الكيميائية المتجددة والكيميائية: "من خلال الهندسة الوراثية للخميرة، تمكن فريق البحث من إنتاج محفز حيوي شبه تجاري يستخدم لإنتاج مستويات عالية من الزيوت الحيوية أثناء تخمير الكربوهيدرات (السكر)". الوقود في جامعة فلوريدا. "هذا عرض رائع لقوة الهندسة الأيضية." حتى الآن، كان إنتاج مستويات عالية من الوقود الحيوي والزيوت المتجددة هدفًا بعيد المنال، لكن الباحثين يعتقدون أن عمليتهم يمكن أن تتقدم إلى مستويات الإنتاج الصناعي.

في جهد هندسي واسع النطاق استمر لأكثر من أربع سنوات، قام الباحثون بتعديل سلالة الخميرة Yarrowia lippolytica وراثيا، سواء عن طريق إزالة أو الإفراط في التعبير عن جينات معينة تؤثر على إنتاج الدهون. بالإضافة إلى ذلك، تمكن الباحثون من تحديد ظروف النمو الأمثل التي تختلف عن الظروف المعتادة في العمليات المماثلة. تعتمد الأساليب الحالية على حقيقة أن النقص المتعمد للنيتروجين يجعل خلايا الخميرة تخزن الدهون والمواد الأخرى. وتمكن الباحثون من إيجاد آلية لإنتاج الدهون دون استخدام نقص النيتروجين المتعمد. وقد تم طلب براءة اختراع لهذه التكنولوجيا الجديدة. يوضح الباحث الرئيسي: "خلايانا ليست مطلوبة لنقص النيتروجين". "هذه الحقيقة تجعل عمليتنا أكثر جاذبية من وجهة نظر صناعية." وخلال البحث، تمكن العلماء من رفع تركيزات المشاعل بمقدار 60 مرة من حيث الحجم بالنسبة لنقطة البداية.

بتركيز 90% دهون، تنجح العملية الجديدة في إنتاج أعلى محتوى دهني على الإطلاق ضمن الهندسة الوراثية لخلايا الخميرة. وبالمقارنة، كانت العمليات الأخرى المعتمدة على الخميرة قادرة فقط على الوصول إلى نطاق تركيز يتراوح بين 80-50. وفي الوقت نفسه، لا تنتج هذه العمليات البديلة دائمًا الدهون مباشرةً من السكر، كما يحدث في هذه العملية المبتكرة. ويواصل الباحثون البحث عن طرق إضافية لزيادة تركيزات الدهون وتطوير منتجات جديدة بمساعدة هذه الخمائر الهندسية.

أخبار الدراسة

على اليسار: تحتوي الخلايا البادئة على نسبة دهون تبلغ 15%. على اليمين: الخلايا المعدلة وراثيا التي تحتوي على حوالي 90% من الدهون.
[مجاملة: جامعة تكساس في أوستن]