مخلوقات نانوية تستهلك الضوء وثاني أكسيد الكربون وتنتج البلاستيك والوقود

نجح الباحثون في تحويل البكتيريا إلى كائنات هجينة حيوية نانوية قادرة على استهلاك ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين في الهواء وإنتاج مجموعة متنوعة من المواد البلاستيكية والوقود منها - وهي خطوة أولى واعدة نحو احتجاز الكربون الرخيص وإنتاج مواد كيميائية صديقة للبيئة.

استخدم الباحثون النقاط الكمومية (جسيم بحجم نانومتر، مصنوع من مادة شبه موصلة، يوجد فيه ترسيم كمي) يتعرضون للضوء من أجل تنشيط إنزيمات معينة داخل الخلايا البكتيرية ونجحوا في إنشاء "مصانع حية" قادرة على استهلاك ثاني أكسيد الكربون الضار وتحويله إلى منتجات مفيدة مثل البلاستيك القابل للتحلل والبنزين والأمونيا وحتى وقود الديزل الحيوي.

وقال براشانت ناجبال، المؤلف الرئيسي للورقة التي تصف الدراسة، والأستاذ في قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية بجامعة كولورادو: "إن الاختراع هو شهادة على قوة العمليات البيوكيميائية". "نحن نختبر طريقة يمكنها تحسين درجة احتجاز ثاني أكسيد الكربون، وذلك بهدف مكافحة تغير المناخ، وربما في يوم من الأيام، طريقة يمكن أن تحل محل طرق الإنتاج الحالية للبلاستيك والوقود التي تحتوي على نسبة عالية من الكربون. "

بدأ المشروع في عام 2013، عندما بدأ فريق الباحثين باختبار القدرة الموسعة للنقاط الكمومية النانوية، وهي عبارة عن أشباه موصلات صغيرة تشبه تلك المستخدمة في شاشات التلفزيون. يمكن حقن النقاط الكمومية في الخلايا بشكل مقبول وبرمجتها للتجميع الذاتي والارتباط بإنزيمات محددة ثم تنشيطها عند الطلب باستخدام أطوال موجية محددة من الإشعاع الضوئي. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان من الممكن استخدام النقاط الكمومية كنوع من الشرارة التي يمكنها تنشيط إنزيمات معينة موجودة داخل الخلايا البكتيرية، وهي إنزيمات قادرة على تحويل ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين المحمول في الهواء الطلق إلى مواد مفيدة أخرى، ولكنها لا تقوم عادة يفعلون ذلك بسبب عدم قدرتهم على استيعاب الضوء (التمثيل الضوئي). ومن خلال حقن نقاط هندسية في خلايا سلالات البكتيريا الشائعة الموجودة في التربة، تمكن الباحثون من سد هذه الفجوة (عدم القدرة على استيعاب الضوء). والآن، فإن التعرض لكميات صغيرة من ضوء الشمس سيعمل على تنشيط "شهية" البكتيريا لثاني أكسيد الكربون، دون الحاجة إلى مصدر إضافي للطاقة أو الغذاء من أجل القيام بالتحويلات الكيميائية الحيوية عالية الطاقة. وقال الباحث الرئيسي: "تنتج كل خلية الملايين من هذه المواد الكيميائية، وقد تمكنا من إثبات قدرتها على القيام بذلك بمعدلات تعادل ضعف تلك الموجودة في الطبيعة".

تقوم البكتيريا الموجودة في الماء بإطلاق المنتج الذي تنتجه إلى سطح الماء، حيث يمكن جمعه واستخدامه في عمليات الإنتاج المختلفة. تؤدي مجموعات مختلفة من النقاط والأطوال الموجية إلى ظهور منتجات مختلفة: الأطوال الموجية في نطاق اللون الأخضر تجعل البكتيريا تستهلك النيتروجين وتنتج مادة الأمونيا؛ في حين أن الأطوال الموجية في نطاق اللون الأحمر تجعل البكتيريا تستهلك ثاني أكسيد الكربون وتنتج البلاستيك. تُظهر العملية أيضًا علامات واعدة على إمكانية توسيع نطاقها لتصبح عملية صناعية على نطاق أوسع. ووجدت الدراسة أنه حتى عندما تم تنشيط المصانع البكتيرية بشكل متواصل لعدة ساعات في المرة الواحدة، فإنها لم تظهر إلا القليل من علامات التحلل أو الاستنزاف، وهي حقيقة تشير إلى إمكانية إعادة تنشيط الخلايا، وبالتالي فإن الحاجة إلى تجديدها بكمية إضافية ستكون ضرورية. يتم تخفيض. يقول الباحث الرئيسي: "لقد فوجئنا للغاية عندما وجدنا أن الطريقة تعمل بنفس الفعالية". "لقد بدأنا للتو في اكتشاف التطبيقات الاصطناعية لطريقتنا الجديدة."

ويوضح الباحث الرئيسي أن أفضل سيناريو مستقبلي هو السيناريو الذي تقوم فيه المنازل والشركات بتدفق انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مباشرة إلى بركة تجميع قريبة، حيث تقوم البكتيريا بتحويل تلك الانبعاثات إلى مواد بلاستيكية حيوية مفيدة. سيكون من الممكن بيع هذه المنتجات بتكلفة منخفضة مع تقليل بصمتها الكربونية. وقال الباحث: "على الرغم من انخفاض هوامش الربح والأسعار غير التنافسية من حيث التكلفة الأساسية، إلا أن الفائدة الاجتماعية لهذه الطريقة لا تزال في تزايد". "حتى لو قمنا بتحويل جزء صغير من الكميات الموجودة في مدافن النفايات المحلية، فسيكون لذلك تأثير كبير على انبعاثات الكربون في المدن. ولن يكون هذا قرارا قاسيا على السكان. على سبيل المثال، يقوم العديد من السكان بصنع البيرة في منازلهم بالفعل، ولم تعد هذه العملية معقدة".

الهدف الآن، كما يقول الباحث الرئيسي، هو تحسين عملية التحويل وجعل هذا البحث مقررًا مطلوبًا في الدراسات الجامعية للمهندسين الكيميائيين والكيميائيين. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Journal of the American Chemical Society.
ملخص المقال