التكنولوجيا الحيوية
الإيكولاي التي تتنفس الكهرباء قد تقود مستقبل التكنولوجيا الحيوية
الإيكولاي تستخدم الكهرباء للتنفس: شرح الاكتشاف الرائد
نظريًا، الفرق بين الآلة المصنوعة يدويًا والبيولوجيا واضح إلى حد كبير. اختراعاتنا تعمل في الغالب على الكهرباء، بينما الحياة، من البكتيريا إلى البشر، تعمل على التفاعلات الكيميائية. ومع ذلك، قد لا يكون الفرق واضحًا كما كنا نفترض سابقًا.
اكتشف الباحثون في جامعة رايس، وجامعة كاليفورنيا، ومركز نوفو نورديسك للبيوساستينابيليتي أن بكتيريا شائعة في أمعائنا تستخدم الكهرباء لت “التنفس”، بدلاً من استخدام الأكسجين، في عملية تُسمى التنفس خارج الخلية.
“بحثنا لا يحل فقط لغزًا علميًا طويل الأمد، بل يشير أيضًا إلى استراتيجية بقاء جديدة وربما واسعة الانتشار في الطبيعة.”
أجو-فرانكلين – أستاذ علوم الأحياء
يمكن أن يكون لهذا تطبيقات تتجاوز البحث البيولوجي، حيث تحاكي العملية طريقة تفريغ البطاريات للتيار الكهربائي.
نُشرت نتائجهم في المجلة العلمية المرموقة Cell، تحت عنوان “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”.
فهم التنفس ونقل الإلكترونات في الميكروبات
في جوهره، يُعد التنفس عملية كهربائية، أو بالأحرى عملية كهر كيميائية. فهو يأخذ الجزيئات الطاقية وينقل الإلكترونات عبر سلسلة بروتينية معقدة حتى يحول الأكسجين إلى ماء، بإضافة أيون الهيدروجين (H+) والإلكترون (e-).
لكن لا شيء يجبر هذه العملية على استخدام الأكسجين حصريًا. على سبيل المثال، هذا ما يحدث أثناء التخمر، لكنه عملية أقل كفاءة بكثير من التنفس أو تفاعل الأكسدة، بسبب عدم حدوث أكسدة نهائية.
نظريًا، يمكن لأي مستقبل نهائي للإلكترونات أن يعمل في عملية التنفس، ويكون مشابهًا للتنفس القائم على الأكسجين، رغم أن التطبيق العملي بعيد كل البعد عن البساطة.
كيف تستبدل الإيكولاي الأكسجين باستخدام التنفس خارج الخلية
هذا هو بالضبط ما اكتشفه الباحثون. يمكن للبكتيريا Escherichia coli أن تستخدم مركبات تُسمى النافثوكوينونات لنقل الإلكترونات إلى الأسطح الخارجية.
كانت عملية التنفس خارج الخلية معروفة لسنوات عديدة، لكن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها شرح طريقة عملها.
“هذه الآلية المكتشفة حديثًا للتنفس هي طريقة بسيطة وذكية لإنجاز المهمة.
تعمل النافثوكوينونات كرسل جزيئية، تحمل الإلكترونات خارج الخلية بحيث تستطيع البكتيريا تحطيم الطعام وتوليد الطاقة.”
بيكي بابي كوندو – طالب دكتوراه في جامعة رايس
لذلك، بدلاً من تنفس الأكسجين، يمكن للبكتيريا أن “تتنفس” عبر أكسدة المواد المحيطة بجعلها تقبل الإلكترونات الزائدة.
هذا يشير إلى أنه إلى جانب التنفس العادي والتخمر، توجد طريقة ثالثة للبكتيريا لمعالجة الطعام وتوليد الطاقة.
تجارب تعتمد على الأقطاب الكهربائية تؤكد استخدام البكتيريا للكهرباء
باستخدام نمذجة حاسوبية، أظهرت المحاكاة أن البكتيريا يمكنها الحفاظ على نفسها عن طريق تفريغ الإلكترونات خارجيًا.
ثم حاول الباحثون زراعة البكتيريا على سطح غني بالموصلية، مثل قطب كهربائي قادر على استقبال الإلكترونات التي تنقلها النافثوكوينونات.
أكدت اختبارات مختبرية إضافية أن البكتيريا الموضوعة على مواد موصلة استمرت في النمو وتوليد الكهرباء، متنفسة فعليًا عبر السطح. كما شهدت البكتيريا تغيرًا هائلًا في وظائفها الأيضية وتعبيرها الجيني عند تحولها إلى التنفس خارج الخلية.
تطبيقات كهرباء البكتيريا في التكنولوجيا النظيفة والتكنولوجيا الحيوية
الإلكترونات التي تدفع التفاعلات الكيميائية والأكسدة هي أساس بعض أهم التفاعلات الكيميائية، بما في ذلك العديد التي تهم التكنولوجيا النظيفة.
وبشكل ملحوظ، يمكن أن تساعد هذه العملية في تثبيت ثاني أكسيد الكربون، باستخدام تقنيات تستغل بكتيريا مثل E. coli بدلاً من النباتات لالتقاط الكربون.
“يضع عملنا الأساس لاستغلال ثاني أكسيد الكربون عبر الكهرباء المتجددة، حيث تعمل البكتيريا بشكل مشابه للنباتات التي تستخدم ضوء الشمس في عملية التمثيل الضوئي.
يفتح ذلك الباب لبناء تقنيات أكثر ذكاءً واستدامةً مع وضع البيولوجيا في الصميم.”
أجو-فرانكلين – أستاذ علوم الأحياء
يمكن تحسين عمليات التكنولوجيا الحيوية مثل معالجة مياه الصرف الصحي والتصنيع الحيوي بشكل كبير من خلال إدارة أفضل لاختلالات الإلكترونات. يمكن إضافة البكتيريا التي تُطلق الكهرباء إلى هذه العمليات لتصحيح هذه الاختلالات والحفاظ على تشغيل الأنظمة بكفاءة.
تطبيق محتمل آخر قد يكون حساسات حيوية إلكترونية في بيئات خالية من الأكسجين، باستخدام طريقة نقل الإلكترونات هذه كبديل للأكسجين. قد يكون ذلك مفيدًا لأدوات جديدة في التشخيص الطبي، ورصد التلوث، واستكشاف الفضاء العميق.
مستقبل الطاقة الحيوية: ما يعنيه ذلك للتكنولوجيا الحيوية
مع ذلك، لا يزال القليل مفهومًا حول القدرات الكيميائية الحيوية المعقدة للميكروبات، حتى البكتيريا، كما هو مُدرَس ومفهوم على أنه E. coli، النموذج المختبري الشائع للميكروبيولوجيين.
يفتح ذلك أفكارًا مثيرة حول كيفية استخدام الاكتشافات الجديدة في علم الكهرباء الحيوية لتصميم حلول أفضل للبطاريات، والحساسات، وإدارة التلوث، والتصنيع الحيوي، وغيرها.
على الأرجح، يمكن تحقيق ذلك من خلال تكرار العملية التي تستخدمها E. coli صناعيًا والتي تم توضيحها اليوم.
في هذا السياق، يمكن للبروتينات الاصطناعية أو الجزيئات المشابهة أن تقوم بنقل الإلكترونات بطريقة مُتحكم فيها ومتوقعة.
الاستثمار في البيولوجيا التركيبية
جينكو بايووركس
(DNA )
تنتج الشركة كائنات حسب الطلب لتطبيقات محددة، بما في ذلك التطبيقات الطبية الحيوية وبرامج الصناعات والعلوم المادية.
كما لديها قطاع كبير للأمن البيولوجي، الذي ازدهر خلال الجائحة. في معظم الحالات، يُستخدم نوع من التطور الموجه في إنتاج واختيار منتجات جينكو، بالإضافة إلى الهندسة الجينية المتقدمة.
قامت جينكو بايووركس بتنويع تطبيقاتها على نطاق واسع من خلال العديد من برامج البحث والشراكات:
- القنّب
- ميكروبات مبرمجة لأمراض الأمعاء
- إزالة التلوث بالميكروبلاستيك
- إعادة تدوير النفايات والملوثات
تحقق الشركة أرباحها من خلال تلقي دفعة مقدمة أولًا لعملية التطوير، ثم من خلال حقوق الملكية على المنتج النهائي.
شراكات جينكو تتوسع باستمرار، مع:
- شراكة متنامية مع Novo Nordisk.
- شراكة مع شركة سوغيتس اليابانية للتجارة.
- تمويل من DARPA لبروتينات جديدة للتحكم في الجليد في بيئات الطقس البارد القاسي.
- صفقة بقيمة 331 مليون دولار مع Pfizer.
- صفقة بقيمة 490 مليون دولار مع Merck لتحسين تصنيع المستحضرات البيولوجية.
- صفقة بقيمة 406 مليون دولار مع Boehringer Ingelheim للأهداف غير القابلة للدواء.
تتعاون جينكو بايووركس أيضًا مع جميع الشركات الزراعية الكبرى، معظمها لديه بعض الاهتمامات في إنتاج الوقود الحيوي والميكروبيولوجيا. تشمل بعضها Bayer، Cargill، Syngenta، Corteva، ADM، Exacta، وغيرها.
تجربة جينكو في تصميمات مخصصة للتسلسلات الجينية، والكائنات، والاختيار، بالإضافة إلى مراقبة الأمن البيولوجي، تجعلها مزودًا رئيسيًا لكل صناعة تسعى لاستغلال الإنزيمات والأجسام المضادة لتطبيقها المحدد.
كمزود خدمة، تتمتع جينكو بموقع جيد للاستفادة من نمو الصناعة ككل.
نموذج أعمالها يتطور، مع عدة خيارات محتملة للمستقبل. قد يكون أحدها التحول إلى اتجاه يركز أكثر على الأجهزة، وهو ما بدأ بالفعل من خلال بيع المختبرات الآلية للباحثين، بعد أن كانت تدير هذه المرافق مباشرةً في الغالب.
خيار آخر قد يكون أن تبدأ جينكو في تصنيع منتجات حيوية حسب عقد على نطاق واسع. خبرتها في العلوم الحيوية، وتصميم أجهزة المختبرات، وتحسين الإنتاج لعمالقة مثل Merck يمنحها مؤهلات قوية للنجاح في هذا المسار.
أخيرًا، يجب الإشارة إلى أن أصول الشركة، مثل مليارات الدولارات في المختبرات الرطبة الآلية، تُقَيَّم بخصم كبير في القيمة السوقية الحالية.
يمكنك أيضًا قراءة المزيد من التفاصيل حول جينكو بايووركس في تقرير الاستثمار المخصص عن الشركة.
أخبار أسهم جينكو بايووركس وآخر التطورات
مرجع الدراسة:
- Biki Bapi Kundu, وآخرون. (2025) Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli. Cell. 10 أبريل 2025.
