طراحی مسیر متابولیکی مصنوعی «ReForm» برای تبدیل دی‌اکسید کربن به مواد شیمیایی ارزشمند

مسیر مصنوعی ReForm: نوآوری در بازیافت کربن

پژوهشگران زیست‌شناسی مصنوعی در دانشگاه‌های نورث‌وسترن و استنفورد با طراحی یک مسیر متابولیکی کاملاً مصنوعی به نام «ReForm»، گامی بلند در جهت مقابله با بحران کربن برداشتند. این سامانه نوآورانه قادر است دی‌اکسید کربن (CO₂) زائد را به فرمات تبدیل کرده و سپس آن را به ترکیبات شیمیایی ارزشمندی مانند مالات که کاربرد تجاری گسترده‌ای در صنایع غذایی و پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر دارد، تبدیل کند.

این دستاورد که نتایج آن در نشریه Nature Chemical Engineering منتشر شده، زمینه‌ساز توسعه سوخت‌ها و مواد پایدار و کربن‌خنثی در آینده خواهد بود.

تبدیل CO₂ به مالات: معماری کاملاً مصنوعی

تیم تحقیقاتی در این پروژه، یک سامانه زیستی مهندسی‌شده طراحی کرده است که فرمات (یک مولکول مایع ساده که به‌راحتی از CO₂ تولید می‌شود) را به استیل‌کوآنزیم A (Acetyl-CoA) تبدیل می‌کند. استیل‌کوآنزیم A متابولیتی کلیدی است که در تمام سلول‌های زنده نقشی مرکزی دارد. پژوهشگران سپس به‌عنوان نمونه عملی، این استیل‌کوآنزیم A را به مالات تبدیل کردند؛ ماده‌ای با ارزش تجاری که در صنایع غذایی، آرایشی و پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر کاربرد دارد.

آشتی کریم، استاد مهندسی شیمی و زیستی دانشگاه نورث‌وسترن و از سرپرستان این پژوهش، تأکید می‌کند: «انتشار بی‌رویه دی‌اکسید کربن، چالش‌های اجتماعی و اقتصادی جدی برای بشر ایجاد کرده است و برای مقابله با این بحران به مسیر‌های جدیدی برای تولید کالا‌های کربن‌منفی نیاز داریم.»

برخلاف مسیر‌های متابولیکی طبیعی، سامانه ReForm کاملاً مصنوعی است و خارج از سلول‌های زنده عمل می‌کند. پژوهشگران این مسیر جدید را با استفاده از آنزیم‌های مهندسی‌شده‌ای ساخته‌اند که واکنش‌هایی را انجام می‌دهند که پیش از این در طبیعت مشاهده نشده‌اند.

مهندسی آنزیم‌ها با زیست‌شناسی بدون سلول

از آنجا که در طبیعت مجموعه‌ای از آنزیم‌ها برای تبدیل فرمات به ترکیبات ارزشمند وجود ندارد، تیم تحقیقاتی تصمیم گرفت چنین سامانه‌ای را از ابتدا مهندسی کند. مایکل جوت، استاد زیست‌مهندسی دانشگاه استنفورد، اشاره می‌کند که این مسیر قادر است از منابع کربنی متنوعی مانند فرومات، فرمالدهید و متانول استفاده کند و نخستین نمونه از یک معماری متابولیکی مصنوعی با این قابلیت به شمار می‌رود.

یافتن آنزیم‌هایی که بتوانند واکنش‌های غیرطبیعی مورد نظر را انجام دهند، چالش اصلی پروژه بود. پژوهشگران برای حل این مسئله از روش «زیست‌شناسی مصنوعی بدون سلول» استفاده کردند؛ روشی که ماشین مولکولی سلول را در محیط آزمایشگاهی و خارج از موجود زنده به کار می‌گیرد. این فناوری امکان آزمایش سریع و کم‌هزینه هزاران آنزیم را فراهم کرد:

• تیم تحقیقاتی ۶۶ آنزیم و بیش از ۳ هزار نوع مختلف از آنها را بررسی کرد.
• در نهایت پنج آنزیم مهندسی‌شده برای ساخت مسیر نهایی انتخاب شدند.

این مسیر شامل شش مرحله واکنشی است که در مجموع فرمات را با موفقیت به استیل‌کوآنزیم A تبدیل می‌کند.

کنترل دقیق و چشم‌انداز آینده

اجرای کامل سامانه ReForm خارج از سلول‌های زنده، امکان کنترل دقیق شرایط واکنش، غلظت آنزیم‌ها و کوفاکتور‌ها را برای پژوهشگران فراهم کرده است؛ قابلیتی که در سیستم‌های زنده به‌سختی امکان‌پذیر است. پژوهشگران پس از تثبیت مسیر ReForm، نشان دادند که این سامانه می‌تواند ورودی‌های کربنی دیگر را نیز بپذیرد و آنها را به ترکیبات مفید تبدیل کند.

این پژوهش چشم‌اندازی تازه برای ترکیب فناوری‌های شیمیایی و زیستی ترسیم می‌کند و می‌تواند در آینده به توسعه مسیر‌های کارآمدتر برای تبدیل کربن و تولید مواد پایدار منجر شود؛ مسیری که امید به آینده‌ای کم‌کربن و کارآمد از نظر انرژی را افزایش می‌دهد.