المواد التي نستخدمها - البلاستيك والنايلون والرغاوي - محدودة بسبب هياكل المواد الكيميائية الأولية القائمة على النفط. ومع ذلك، إذا تمكنا من فهم كيفية هندسة إنزيمات نباتية فريدة من هذا النوع، فيمكننا إنتاج مواد كيميائية فريدة ذات خصائص مثالية، بدلاً من الاعتماد على خصائص المواد الموجودة.
إذا لم تسير تجربتك كما هو متوقع، فيجب عليك إلقاء نظرة فاحصة - ربما حدث شيء أكثر إثارة للاهتمام. وقادت هذه الاستراتيجية علماء وزارة الطاقة الأمريكية إلى اكتشاف انحراف كبير في وظيفة إنزيم قد يوسع أدوات مهندسي الوقود الحيوي والمنتجات النفطية الأخرى.
حاول الباحثون فهم العوامل التي تؤثر على الروابط الثنائية بين الكربون والكربون الموجودة في الأحماض الدهنية، وهي العناصر الأساسية للزيوت والدهون، عندما تخضع لعملية يقوم فيها إنزيم إزالة التشبع بإزالة ذرة الهيدروجين من الهيكل الكربوني.
يوضح عالم الكيمياء الحيوية جون شانكلين، الذي قاد البحث: "إن إنشاء روابط مزدوجة في مواضع مختلفة على الهيكل الكربوني يجعل من الممكن تغيير بنية الأحماض الدهنية لتحضير منتجات ذات تطبيقات مختلفة". الهدف الرئيسي هو الإنتاج المخطط للزيوت النباتية التي يمكن استخدامها كوقود حيوي و/أو مواد تساعد في تقليل استخدام الزيت.
من أجل محاولة تغيير موضع الرابطة المزدوجة، أجرى فريق البحث تغييرات على بنية إنزيم ديساتوراس، حيث قاموا بتغيير ثلاثة أحماض أمينية من بين 363 حمضًا تشكل البروتين. ومع ذلك، عندما قاموا بفحص الإنزيم الهندسي وكانوا يأملون في العثور على المنتج المتوقع بموضع مختلف للرابطة المزدوجة - لم يكن موجودًا.
المزيد عن وقود الديزل الحيوي على موقع العلوم
- البكتيريا المعدلة وراثيا تمكن من إنتاج الوقود الحيوي
- الوقود من رقائق الخشب والمخلفات الزراعية
- الطوب الحيوي بدلاً من الوقود الأحفوري
كان بإمكانهم المضي قدمًا واستبدال الأحماض الأمينية الأخرى بالتسلسل حتى يتم الحصول على المنتج المتوقع. لكن الباحث المشارك إدوارد ويتل كان مصمماً على فهم سبب الحصول على هذه النتيجة غير المتوقعة. يقول الباحث: "لقد خضعت الركيزة، المادة المصدر، للتغيير واختفت، لذلك كان لا بد من إنشاء شيء آخر - لا يمكن للمواد أن تختفي بهذه الطريقة". "إذا لم يتم إنشاء منتجنا المتوقع، فما الذي سيتم إنشاؤه بالضبط"؟
أدى العمل البوليسي للمحقق إلى اكتشاف مثير. بدلاً من إحداث تغيير في موضع الرابطة المزدوجة، أدى الإنزيم الهندسي إلى إنشاء ثلاث مواد جديدة تمامًا - مشتقان من منتج هيدروكسيلي يُعرف باسم كحول الأليل وحمض دهني مع رابطتين مزدوجتين. "لقد كان هذا تغييرًا كبيرًا في وظيفة الإنزيم"، يوضح الباحث الرئيسي، الذي يعمل مع الإنزيمات الهندسية لمدة خمسة عشر عامًا. "عادة، يتم إحداث تغييرات تدريجية بحيث يتم الحصول على نسبة صغيرة من المنتج الجديد في الخليط مع المادة الأولية. وفي حالتنا كان هناك تغيير شبه كامل في وظيفة الإنزيم."
يعد هذا الاكتشاف جديرًا بالملاحظة أيضًا نظرًا لحقيقة أن الإنزيم الأصلي، على غرار إنزيمات إزالة التشبع القابلة للذوبان الأخرى (والتي لا تعتمد على غشاء الخلية)، قادر فقط على إجراء تفاعل واحد فريد من نوعه، وهو إزالة الهيدروجين للحصول على مضاعفة. رابطة. وهذا على النقيض من الإنزيمات من هذا النوع الموجودة داخل غشاء الخلية، والتي تكون أكثر تنوعًا وتؤدي مجموعة متنوعة من التفاعلات. ومع ذلك، فإن هذين النوعين من الإنزيمات لهما سمة رئيسية مشتركة - كلاهما ينفذان تفاعلات تتطلب وجود شكل نشط للغاية من الأكسجين.
يقول الباحث: "نظرًا لأن كلا النوعين من الإنزيمات ينتجان الأكسجين النشط، فمن الناحية النظرية، فإن الإنزيمات القابلة للذوبان، المشابهة لنظيراتها في غشاء الخلية، قادرة أيضًا على أداء مجموعة متنوعة من التفاعلات". "أبحاثنا تثبت أن هذا هو الحال بالفعل. يوضح الباحث الرئيسي: "إن إجراء تغيير بسيط في تسلسل الأحماض الأمينية للإنزيم كشف عن قدرة الإنزيم القابل للذوبان على أداء نطاق كيميائي أوسع من السابق".
التحدي الآن هو فهم كيف تؤدي هذه التغيرات الهيكلية في الإنزيم إلى تغيرات في التفاعل الكيميائي. تساعد النماذج الحاسوبية التي تجمع بين البنية المعروفة للإنزيم الأصلي مع مواده الجديدة العلماء على فهم كيفية عمل الإنزيم بشكل أفضل. والخطوة التالية هي الحصول على البنية الحقيقية ثلاثية الأبعاد لمرافقة الإنزيم والركيزة لمعرفة مدى تطابقها مع توقعات الكمبيوتر.
يعد فحص بنية الإنزيمات القابلة للذوبان أسهل من الحصول على بنية الإنزيمات الموجودة في غشاء الخلية. وبالتالي، في الواقع، يمثل هذا العمل نهجًا سريع المسار لمطابقة البنية مع النشاط، مما قد يساعد العلماء في الحصول على رؤى عامة حول آلية كل نوع من هذه الأنواع من الإنزيمات. يقول الباحث الرئيسي: "إن فهم طريقة الطبيعة في الحصول على هذه الكيمياء المعقدة بالإضافة إلى التحكم فيها، سيكون مرضيًا للغاية من وجهة نظر علمية بحتة. وفي الوقت نفسه، فإن استخدام هذه المعرفة يمكن أن يوفر فوائد لنا جميعًا."
"اليوم، المواد التي نستخدمها - البلاستيك والنايلون والرغاوي - محدودة بسبب هياكل المواد الكيميائية الأولية القائمة على النفط. ومع ذلك، إذا تمكنا من فهم كيفية هندسة إنزيمات نباتية فريدة من هذا النوع، فسنكون قادرين على إنتاج مواد كيميائية فريدة ذات خصائص مثالية، بدلاً من الاعتماد على خصائص المواد الموجودة". "لن نضطر بعد الآن إلى الرضا عن المواد الموجودة وخصائصها المحدودة. وبدلاً من ذلك، يمكننا إنتاج مواد مخصصة لاستخدام محدد من خلال تصميم المواد الأولية الخاصة بها."
