الوقود الغني بالألياف

قد تمهد الاكتشافات الجديدة لعلماء معهد وايزمان للعلوم الطريق لإنتاج الوقود الحيوي على نطاق صناعي

يمكن أن تكون زركشة الأشجار أو أكواز الذرة المهملة أو حتى الورق المعاد تدويره مصدرًا ممتازًا للكربون لإنتاج الطاقة المتجددة. كل ما هو مطلوب لتحقيق ذلك هو تحطيم السليلوز الصلب (السليلوز) الموجود في جدران الخلايا النباتية إلى سكريات أصغر وأكثر قابلية للذوبان - وهي ليست مهمة سهلة على الإطلاق. تم اتخاذ خطوة مهمة نحو تحقيق ذلك في دراسة أجراها علماء من معهد وايزمان للعلوم وجامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونيخ والتي نُشرت في المجلة العلمية وقائع الأكاديمية الأمريكية للعلوم (PNAS). وكشف العلماء عن سمات هيكلية مهمة للسليلوزوم، وهو مركب إنزيمي كبير موجود في الكائنات الحية الدقيقة في التربة والمياه، والذي يكسر جدار الخلية للنباتات. قد تعزز الاكتشافات الجديدة تطوير السليلوز الاصطناعي لإنتاج الوقود الحيوي على نطاق صناعي.

تم اكتشاف السليلوز في أوائل الثمانينات من القرن الماضي من قبل البروفيسور إد باير من قسم العلوم الجزيئية الحيوية في معهد وايزمان للعلوم والبروفيسور رافائيل ليميد من جامعة تل أبيب. ومنذ ذلك الحين، تم تكريس العديد من الجهود - بما في ذلك من قبل البروفيسور باير نفسه - لإنتاج السليلوز الاصطناعي "حسب الطلب"، وتكييفه للاستخدام في الصناعة.

في الدراسة الجديدة، تعاون البروفيسور باير والدكتور يوآف باراك من قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية مع البروفيسور دون لامب والدكتور أندرس باريت والبروفيسور ويلا هندريكس من جامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونيخ، من أجل معرفة ذلك كيفية ترتيب الوحدات الفرعية المختلفة للسليلوز في الفضاء. في الماضي، واجه العلماء صعوبة في الحصول على هذه المعلومات لأن بنية السليلوز ديناميكية: حيث تغير الوحدات الفرعية موقعها بالنسبة لبعضها البعض. وتمكن العلماء من التغلب على هذه العقبة باستخدام تقنية متقدمة تسمى smFRET، حيث تتيح علامات الفلورسنت المرتبطة بالجزيئات الفردية قياس حركة هذه الجزيئات في أطر زمنية أقل من جزء من الألف من الثانية. استخدم العلماء السليلوز من بكتيريا Clostridium thermocellum، القادرة على تحويل السليلوز مباشرة إلى إيثانول.

وكشف البحث أن مجمعات البروتين التي تسمى الكوهسينات، وهي اللبنات الأساسية للسليلوز والتي تعمل كمواقع ارتباط للإنزيمات التي تشكله، لا يتم ترتيبها على سقالة واحدة تلو الأخرى، ولكنها في حالة حركة مستمرة. في حين أن الوحدات الفرعية من السليلوز متماسكة معًا بواسطة "حبال" طويلة ومرنة تهتز وتلتف بشكل مستمر، فإن التماسكات من وحدتين فرعيتين متجاورتين تتفاعل مع بعضها البعض وتغير موضعها. وهكذا "يرقصون" حول بعضهم البعض حتى يجدوا الموضع الأمثل لوضع إنزيمات التحلل. تسمح هذه المرونة الهيكلية للسليلوز بالاتصال بأكثر الطرق فعالية بجزيء السليلوز الأكبر حجمًا، وتكسيره. تم التأكد من نتائج التجربة باستخدام نموذج حاسوبي يحاكي، على مستوى الذرة الواحدة، التفاعلات بين جزيئات التماسك المختلفة.

قد تساعد هذه النتائج في تصميم السليلوز الاصطناعي للاستخدام المستقبلي في الصناعة، والذي يمكن أن يكسر النفايات الزراعية والمحاصيل الزراعية غير الصالحة للأكل وغيرها من أشكال الكتلة الحيوية النباتية، بما في ذلك المنتجات التي من صنع الإنسان مثل نفايات الورق. كل هذا من أجل إنتاج الوقود الحيوي بكفاءة والذي يمكن أن يحل محل الاحتياطيات المستنفدة من النفط والفحم والغاز الطبيعي.