الخميرة السعيدة الضوئية قد تغير نهجنا في الوقود الحيوي

الضوء هو الحياة

تقريبًا كل الطاقة في الحضارة البشرية مستمدة في النهاية من الشمس. تنمو الطعام والكتلة الحيوية والخشب بفضل ضوء الشمس. والفحم والغاز والنفط تتكون من نباتات ميتة منذ ملايين السنين. حتى الرياح هي نتيجة تسخين الشمس للغلاف الجوي. وبالطبع، اليوم لدينا الألواح الشمسية. بالنظر إلى مدى تغطية احتياجاتنا من الطاقة بواسطة الكائنات الحية التي تستغل طاقة الشمس، فإن مفهوم الوقود الحيوي يبدو منطقيًا.

المشكلة هي أن الوقود الحيوي من الجيل الأول والثاني، الذي يستخدم محاصيل مثل الذرة وقصب السكر أو مخلفات الزراعة، يميل إلى تحقيق عائد طاقة ضعيف بسبب الكميات الكبيرة من الوقود الأحفوري والأسمدة المستخدمة في زراعة هذه المحاصيل.

المصدر: Unsplash

يهدف الوقود الحيوي من الجيل الثالث إلى استخدام الطحالب بدلاً من ذلك، وهو ما ناقشناه بمزيد من التفصيل في مقالتنا “الوقود الحيوي الطلائي: الثورة الطاقة التالية؟“.

لكن ماذا لو استطعنا جعل أي كائن قادر على إجراء عملية التمثيل الضوئي؟ ما كان حتى الآن حلماً بعيد المنال قد تحقق جزئيًا على يد الباحثين في جورجيا تك.

الخميرة المدعومة بالضوء

قد تكون الخميرة أكثر الكائنات الدقيقة التي تم فهمها على الإطلاق. لقد استفاد البشر من القدرات الكيميائية الحيوية للخميرة لإنتاج الخبز والكحول ومنتجات الحليب المخمرة منذ فجر الحضارة.

الخمائر هي أيضًا أحد أكثر نماذج الكائنات “النموذجية” شيوعًا في مختبرات علم الأحياء. وهي مصانع حيوية مهمة للعديد من الأدوية والجزيئات الحيوية المفيدة.

مع ذلك، تحتاج الخمائر إلى تغذية بالسكر أو مركبات أخرى للبقاء على قيد الحياة. على الأقل، كان هذا هو الحال حتى أن أنتوني بورنيتي، عالم أبحاث يعمل في مختبر الأستاذ المشارك ويليام راتكليف، تمكن من جعل الخميرة قادرة على جمع طاقة الضوء.

“كل ما احتجنا إليه هو نقل جين واحد، ونمت بنسبة 2٪ أسرع في الضوء مقارنةً بالظلام. دون أي تعديل دقيق أو إقناع حذر، نجح الأمر ببساطة.”

نوع جديد تمامًا من الخمائر

الفريق لديه خبرة في تعديل الخميرة، وهو كائن شائع وواسع الانتشار يتمتع بإمكانات جديدة وغير متوقعة. والأبرز من ذلك، أنهم نجحوا سابقًا في تحويل الخميرة أحادية الخلية إلى كائن متعدد الخلايا في “تجربة التطور طويل الأمد للخلية المتعددة“.

المصدر: Georgia Tech

كان الحد من نمو هذه الكائنات الخميرية متعددة الخلايا هو وصولها إلى الأكسجين داخل “الأنسجة” الداخلية. لهذا السبب سعى الفريق لجعل الخميرة كائنًا ضوئيًا.

للقيام بذلك، أضافوا بروتينًا يُدعى الرودوبسين إلى الخمائر. يُعرف هذا البروتين بأنه قادر على إجراء بعض عمليات التمثيل الضوئي دون الحاجة إلى البروتينات والجزيئات الحيوية المعقدة في النباتات العليا (مثل الكلوروفيل).

بمجرد إضافة جين واحد يرمز لبروتين الرودوبسين، تمكنت الخميرة من التقاط الضوء والنمو بشكل أسرع. الزيادة كانت متواضعة، فقط معدل نمو +2٪، لكنها مهمة بسبب بساطة التغيير. ولم يتم تحسين هذا النمو المتزايد بعد.

الوقود الحيوي باستخدام الهندسة الحيوية التركيبية

حتى الآن، كان بحث الوقود الحيوي يركز على تعديل النباتات الضوئية بالفعل (مثل الذرة، وقصب السكر، أو الطحالب) وجعل العملية فعّالة بما يكفي لتكون ذات جدوى اقتصادية.

لكن ذلك واجه عدة عقبات، حيث إن المواد الحيوية في النباتات والمحاصيل العليا مثل الذرة ليست متاحة بسهولة، وتحويلها إلى إيثانول يعني خسائر كبيرة في الطاقة. في الوقت نفسه، تُعد الطحالب أكثر وعدًا، لكن زراعتها دون تلوث بعيد كل البعد عن كونه مهمة بسيطة.

على العكس من ذلك، زراعة الخميرة عملية مفهومة جيدًا وتُجرى بانتظام في عمليات صناعية ضخمة. تحويل الخميرة إلى بديل للطحالب قد يفتح الطريق لطرق جديدة لتصنيع الوقود الحيوي. بدلاً من الاعتماد على عمليات معقدة لزراعة الطحالب، يمكننا هندسة الخميرة أو البكتيريا لتنمو باستخدام ضوء الشمس فقط والاستفادة من أن هذه الكائنات أسهل بكثير في الزراعة على نطاق صناعي.

مخزونات الوقود الهندسية حيويًا

بشكل عام، لا يزال هذا قطاعًا شابًا ومبشرًا في أبحاث الوقود الحيوي والهندسة الحيوية. لذا، فإن الشركات الأكثر احتمالًا لتجربة تحويله إلى واقع ستحتاج إلى مستويات عالية من الخبرة في الهندسة الحيوية التركيبية و/أو إنتاج الوقود الحيوي.

القائمة أدناه مجرد اقتراح للشركات التي قد ترى إمكانات في اكتشاف باحثي جورجيا تك.

1.  Reliance Industry

Reliance Industry هي مجموعة هندية ضخمة، أكبر شركة خاصة في البلاد، نشطة في مجال الاتصالات والنسيج والطاقة. في عام 2022، كانت أول شركة هندية تصل إلى إيرادات قدرها 100 مليار دولار.

أعلنت Reliance في عام 2022 عن دخولها سوق الوقود الحيوي الطلائي، مُتبَجِّرةً “إحدى أكبر أنظمة زراعة الطحالب في العالم”. حتى الآن، كان محفظتها الطاقية تتركز أساسًا على مصافي البترول ومصانع البتروكيماويات. مع هذا المشروع الطلائي، ستتمكن من بدء الإنتاج واستخدام الشمس الوفيرة في الهند (وكذلك الصحارى غير المزروعة) لتقليل الاعتماد الشديد للبلاد على واردات الوقود الأحفوري من الخارج.

كما أن الشركة نشطة في إنتاج الغاز الحيوي من النفايات الزراعية، مما يجعلها أكبر منتج للطاقة الحيوية في الهند.

2. Ginkgo Bioworks

الشركة تنتج كائنات حسب الطلب لتطبيقات محددة. يشمل ذلك التطبيقات الطبية الحيوية، بالإضافة إلى العديد من برامج الصناعات والعلوم المادية.

Ginkgo هي بالضبط النوع من الشركات التي يمكن للمجموعات الصناعية الكبيرة مثل Reliance اللجوء إليها لتصميم خميرة مخصصة مخصصة لإنتاج الوقود الحيوي.

Ginkgo Bioworks (DNA ) has diversified its applications widely with many research programs and partnerships:

• القنّبيات
• إنتاج لقاحات mRNA والدواء الحمض النووي
• بروتينات الطعام
• إنتاج أسمدة حيوية بالشراكة مع Bayer
• ميكروبات مبرمجة لأمراض الأمعاء
• معالجة الميكروبلاستيك
• الأمن الحيوي واكتشاف الأمراض
• إعادة تدوير النفايات والملوثات

تجني المال من خلال تلقي دفعات مقدمة لتطوير العملية ثم من خلال العوائد على المنتج النهائي.

كان عام 2023 عامًا وفيرًا لـ Ginkgo، مع عشرات الشراكات، بما في ذلك:

• $331 مليون صفقات مع Pfizer.
• $490 مليون صفقة مع Merck لتطوير تصنيع المستحضرات الحيوية.
• $406 مليون صفقة مع Boehringer Ingelheim للأهداف غير القابلة للعقاقير.
• تعاون مع Biogen وNovo Nordisk بمبالغ غير معلنة.

المصدر: Gingko Bioworks

تتعاون Ginkgo Bioworks أيضًا مع جميع الشركات الزراعية الكبرى، معظمها لديه بعض الاهتمامات في إنتاج الوقود الحيوي والميكروبيولوجيا. بعض هذه الشركات تشمل Bayer وCargill وSyngenta وCorteva وADM وExacta وغيرها.