يخلق التمثيل الضوئي الطعام الذي نأكله والأكسجين الذي نتنفسه، فهل يمكن أن يساعد أيضًا في توفير احتياجاتنا المستقبلية من الطاقة عن طريق إنتاج هيدروجين نظيف الاحتراق؟
يخلق التمثيل الضوئي الطعام الذي نأكله والأكسجين الذي نتنفسه، فهل يمكن أن يساعد أيضًا في توفير احتياجاتنا المستقبلية من الطاقة عن طريق إنتاج هيدروجين نظيف الاحتراق؟ اكتشف الباحثون الذين يدرسون الطحالب الخضراء وحيدة الخلية التي تنتج الهيدروجين، والمسماة Chlamydomonas Reinhardtii، مسارًا جديدًا للتخمر داخلها، وهو مسار لم يكن معروفًا من قبل ويمكن أن يفتح نافذة على إمكانيات جديدة لزيادة إنتاج الهيدروجين.
تنتج الطحالب، التي تعيش غالبًا في التربة، كميات صغيرة من الهيدروجين بشكل طبيعي عند حرمانها من الأكسجين. على غرار الخميرة والبكتيريا الأخرى، تنتج هذه الطحالب الطاقة التي تحتاجها من خلال التخمير في ظل الظروف غير الهوائية. أثناء التخمر، يتم إطلاق الهيدروجين نتيجة لنشاط إنزيم يسمى هيدروجيناز والذي يتم تنشيطه بواسطة الإلكترونات الناشئة إما من تفريغ المركبات العضوية أو من تقسيم الماء عن طريق عملية التمثيل الضوئي. عادة، يتم استخدام جزء صغير فقط من هذه الإلكترونات لإنتاج الهيدروجين. ومع ذلك، فإن الهدف الرئيسي للبحث هو تطوير طرق لزيادة هذه الكمية، مما سيؤدي إلى زيادة كمية الهيدروجين التي يتم الحصول عليها.
במחקר החדש, שפורסם ע”י Alexandra Dubini ועמיתיה בכתב-העת המדעי Journal of Biological Chemistry, חוקרים מהמחלקה לביולוגיית הצמח במכון קרנגי (Carnegie), מהמעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת ומביה”ס למחצבים בקולוראדו בחנו תהליכים מטבוליים בזן מהונדס גנטית שלא הצליח לייצר לעצמו אנזים הידרוגנאז فعال.
وتوقع الباحثون أن يعوض استقلاب الخلية عن ذلك عن طريق زيادة المسارات الأخرى، مثل تلك التي تنتج الفورمات والإيثانول كمنتجات نهائية. وفي المقابل، قامت الطحالب بتنشيط مسار أيضي مختلف يؤدي إلى تكوين مركب السكسينات، الذي لم يكن مرتبطا سابقا بأي عملية تخمير في هذه الطحالب. ومن الجدير بالذكر أن مادة السكسينات، وهي مادة كيميائية صناعية شائعة جدًا يتم تصنيعها من النفط، مدرجة في قائمة وزارة الطاقة الأمريكية لأهم عشرة مواد كيميائية يتم الحصول عليها من الكتلة الحيوية.
يقول أحد الباحثين: "في الواقع، لم نكن نعرف أن هذا المسار الأيضي للتخمر موجود في الطحالب حتى أنشأنا السلالة المعدلة وراثيا". "تشير هذه النتائج إلى وجود قدر كبير من المرونة بين المسارات المختلفة التي تستخدم فيها الطحالب الكربون في ظل ظروف غير هوائية. ومن خلال منع وتغيير بعض هذه المسارات الأيضية، يمكننا زيادة مساهمة الإلكترونات في الإنزيم في ظل هذه الظروف وزيادة مستويات الهيدروجين التي يتم الحصول عليها."
ويشير الباحث إلى أنه من المحتمل جدًا، من وجهة نظر تطورية، أن يكون لدى الكائنات الحية التي تعيش في التربة مجموعة متنوعة من المسارات الأيضية تحت تصرفها. يمكن أن تتغير مستويات الأكسجين، وتوافر العناصر الغذائية، ومستويات المعادن والسموم في التربة بشكل كبير، على المدى القصير والطويل. "في مثل هذه البيئة المتغيرة، يجب على هذه الكائنات تطوير مسارات استقلابية مرنة لنفسها؛ إن تنوع الظروف التي يتعرضون لها قد يفضل مسارًا واحدًا للطاقة على الآخر، مما سيساعد الكائن الحي على التكيف بشكل أفضل، من وجهة نظر تطورية، مع ظروفه المعيشية".
قاد الباحثون جهدًا مشتركًا للحصول على تسلسل كامل لجينوم الطحالب، مما يسمح لهم بتحديد الجينات الرئيسية التي تشفر نفس البروتينات المشاركة في كل من التخمر وإنتاج الهيدروجين. يشعر الباحثون أن هناك أهمية فورية لإنشاء سلالات معدلة وراثيا جديدة يمكن أن تساعدنا في فهم قبول مسارات التخمير وإنتاج الهيدروجين. يوضح أحد الباحثين الرئيسيين: "الهدف الرئيسي من هذا البحث هو الحصول على فهم أساسي لمجموعة متنوعة من الاحتمالات لعمليات التمثيل الغذائي التي تحدث في الطحالب وما هي العلاقات المتبادلة بينها؛ وستؤدي هذه الجهود إلى تطوير طرق مبتكرة لإنتاج الهيدروجين المتجدد وأنواع الوقود الحيوي الأخرى المشابهة له، والتي ستساهم فينا جميعًا بقوة".
يقول أحد الباحثين: "هذه أوقات مثيرة حقًا في هذا المجال". "إن الأدوات التي تم تطويرها في معهد كارنيجي ومن قبل مجموعات أخرى في هذا المجال تقدم فرصًا غير مسبوقة للعلماء الذين يبحثون عن تقدم مهم في فهمنا للبيولوجيا الأساسية للكائنات الحية مثل الطحالب المذكورة أعلاه."
كمصدر بديل محتمل للطاقة للوقود المشتق من الحفريات (النفط في المقام الأول)، فإن استخدام الهيدروجين سوف يقلل بشكل كبير من مستويات انبعاث الغازات الدفيئة. ويشير أولئك الذين يؤيدون إنتاج الهيدروجين بالاعتماد على الطحالب إلى أن هذه الطريقة، على عكس الإيثانول المنتج من المحاصيل الزراعية، لن تنافس إنتاج الغذاء من الأراضي الزراعية.
