خبر کامل
توسعه «متابولیسم مصنوعی» برای تبدیل آلودگی دی‌اکسید کربن به مواد شیمیایی ارزشمند
تبدیل آلودگی هوا و آب به مواد مفید، آرزویی دیرینه در محافل علمی بوده است. اکنون، محققان دانشگاه‌های نورث وسترن و استنفورد با ساخت یک سیستم متابولیسم کاملاً مصنوعی و بدون سلول، گامی بلند در جهت بازیافت دی‌اکسید کربن و تولید پایدار برداشته‌اند.
معرفی مسیر متابولیکی کاملاً مصنوعی (ReForm)
زیست‌شناسان مصنوعی در ایالات متحده سیستمی جدید را مهندسی کرده‌اند که قادر است مولکول‌های مشتق شده از دی‌اکسید کربن (CO₂) را به بلوک‌های سازنده شیمیایی ارزشمند تبدیل کند. این سیستم که با نام مسیر فرمیت کاهشی یا ReForm شناخته می‌شود، یک پیشرفت بزرگ در زیست‌شناسی مصنوعی و بازیافت کربن محسوب می‌شود.
مسیر ReForm فرآیند زیر را انجام می‌دهد:
- تبدیل فرومات (یک مولکول مایع ساده که به راحتی از CO₂ جذب شده تولید می‌شود) به استیل-کوآ (یک متابولیت مرکزی که توسط همه سلول‌های زنده استفاده می‌شود).
- به عنوان اثبات مفهوم، سیستم همچنین استیل-کوآ را به مالات تبدیل کرد. مالات ترکیبی ارزشمند تجاری است که در محصولات غذایی، لوازم آرایشی و پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر کاربرد دارد.
آنچه این تحقیق را متمایز می‌کند، ماهیت کاملاً مصنوعی آن است. محققان به جای تکیه بر موجودات زنده، یک سیستم کاملاً بدون سلول متشکل از آنزیم‌های مهندسی‌شده ساختند که قادر به انجام واکنش‌هایی هستند که قبلاً در زیست‌شناسی مشاهده نشده بودند و مسیر متابولیکی آن در طبیعت وجود ندارد. این امر پیامد‌های بالقوه‌ای برای تولید سوخت‌های خنثی از کربن و تولید پایدار دارد.
متابولیسم فراتر از محدودیت‌های بیولوژیکی
برخلاف مسیر‌های متابولیک طبیعی که درون موجودات زنده عمل می‌کنند، ReForm کاملاً خارج از سلول‌های زنده عمل می‌کند. این طراحی هوشمندانه به محققان اجازه می‌دهد تا محدودیت‌های بیولوژیکی که مدت‌ها مانع از استفاده کارآمد از CO₂ بوده‌اند را دور بزنند.
اشتی کریم، یکی از رهبران این مطالعه، اظهار داشت: «انتشار بی‌وقفه CO₂ چالش‌های اجتماعی و اقتصادی بسیاری را برای بشریت ایجاد کرده است. اگر قرار است به این چالش جهانی رسیدگی کنیم، به شدت به مسیر‌های جدیدی برای تولید کالا‌های بدون کربن نیاز داریم.»
او توضیح داد که اگرچه طبیعت مسیر‌هایی را برای پردازش CO₂ تکامل داده است، اما هیچ‌کدام نمی‌توانند فرمات را مستقیماً به استیل-کوآ تبدیل کنند. توانایی کار در خارج از سلول‌ها همچنین به دانشمندان کنترل دقیقی بر غلظت آنزیم‌ها، شرایط واکنش و کوفاکتور‌ها می‌دهد، که دستیابی به آن در سیستم‌های زنده تقریباً غیرممکن است.
مهندسی سریع آنزیم‌ها در محیط آزمایشگاهی
برای فعال‌سازی مسیر ReForm، تیم تحقیقاتی ابتدا باید آنزیم‌هایی را ایجاد می‌کرد که قادر به انجام وظایف شیمیایی کاملاً جدید باشند. آن‌ها از تکنیک زیست‌شناسی مصنوعی بدون سلول استفاده کردند؛ روشی که ماشین مولکولی سلول را استخراج کرده و آن را در محیط لوله آزمایش به کار می‌اندازد.
مایکل جویت، از دیگر رهبران این مطالعه، این فرآیند را اینگونه تشریح کرد: «این کار مانند باز کردن کاپوت ماشین و برداشتن موتور است. سپس می‌توانیم از آن «موتور» برای اهداف مختلف، فارغ از محدودیت‌های ماشین، استفاده کنیم.»
این رویکرد به محققان اجازه داد تا به سرعت ۶۶ آنزیم و بیش از ۳۰۰۰ گونه آنزیم را غربالگری کنند و بهترین عملکرد‌ها را در عرض چند هفته به جای چند ماه شناسایی کنند. این سرعت بالا به دلیل محیط عاری از سلول فراهم شد که امکان انجام هزاران آزمایش در هفته را فراهم کرد.
جزئیات فنی و انعطاف‌پذیری سیستم
در طرح نهایی، پنج آنزیم مهندسی‌شده، شش مرحله واکنش را برای تبدیل فرمات به استیل-کوآ انجام می‌دهند. تیم تحقیقاتی همچنین نشان داد که ReForm می‌تواند سایر ورودی‌های تک‌کربنه، از جمله فرمالدئید و متانول را نیز بپذیرد.
جویت تأکید کرد: «Reform می‌تواند به راحتی از منابع کربن متنوع استفاده کند. این اولین نمایش از معماری مسیر متابولیک مصنوعی است که می‌تواند این کار را انجام دهد.»
محققان می‌گویند که این پلتفرم پتانسیل بهینه‌سازی و سازگاری بیشتر را دارد تا مسیر‌های مصنوعی دیگری را که شیمی و زیست‌شناسی را با هم ترکیب می‌کنند، بسازد و ابزارهای جدیدی را برای تولید با راندمان کربن ارائه دهد.
درباره هوش‌مصنوعی دست‌اول:
تمامی اخبار دست‌اول توسط دستیار هوش مصنوعی «هوشنگ» پردازش، صحت‌سنجی، خلاصه و بازنویسی شده است. هوشنگ هر روز با داده‌های جدید آموزش داده می‌شود و با نظارت دقیق انسانی و سردبیری دست‌اول در حال بهتر شدن است.
شما می‌توانید از چت‌بات و سایر ابزارهای هوشنگ به صورت رایگان استفاده کنید.
