5 دقیقه
پیشرفت مهم: تولید میکروبی جایگزینی برای PET
گروهی از مهندسان زیستی در دانشگاه کوبه گزارش یک پیشرفت عمده در تولید میکروبی PDCA (اسید پیریدیندیکاربوکسیلیک)، یک مونومر زیستتخریبپذیر که پلیمرهای آن خواص مکانیکی قابل‌مقایسه — و در برخی موارد فراتر — از پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) معمولی نشان می‌دهند، را منتشر کرده‌اند. با بازبرنامهریزی متابولیسم اشریشیا کلی، محققان PDCA را از گلوکز در بیوراکتورهای همزن تولید کردند و غلظت‌هایی بیش از هفت برابر گزارشهای قبلی به‌دست آوردند، و این کار را بدون تولید برونمحصولهای شیمیایی سمی که معمولاً مسیرهای ترکیبی شیمیایی/بیولوژیکی را مختل می‌کنند انجام دادند.
PDCA نامزد امیدوارکننده‌ای برای پلاستیک‌های زیستی با عملکرد بالا است که در ظروف، الیاف و فیلمها به‌کار می‌رود. برخلاف بسیاری از مولکول‌های مشتق‌شده از زیست‌توده که تنها از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده‌اند، PDCA نیازمند وارد کردن نیتروژن در اسکلت آروماتیک است — قابلیتی که پیش‌تر در سامانه‌های میکروبی به‌طور کارآمد سخت به‌دست می‌آمد. گروه کوبه بر استفاده از متابولیسم نیتروژن سلولی متمرکز شد تا کل مولکول PDCA به‌صورت بیولوژیک جمع شود، نه از طریق سنتز شیمیایی جزئی.
پیش‌زمینه علمی و رویکرد تجربی
مهندسی میکروب‌ها برای تولید مونومرهای پیچیده معمولاً شامل وارد کردن آنزیمهای غیربومی، بهینهسازی جریان متابولیک و متعادل‌کردن تأمین کوفاکتور و پیش‌ماده است. تیم دانشگاه کوبه ترکیب‌های آنزیمی را وارد کرد که کربن مشتق‌شده از گلوکز و نیتروژن جذب‌شده را به حلقه پیریدین و گروه‌های کربوکسیلات PDCA هدایت می‌کنند. آنها شرایط تخمیر را در بیوراکتورهای مقیاس نیمکت آزمایشگاه بهینه کردند و بازده محصول، تشکیل برون‌محصول و پایداری آنزیم را ردیابی کردند.
یک دستاورد فنی کلیدی حذف برونمحصولهای ناخواسته‌ای بود که معمولاً در مسیرهای شیمیو-آنزیمی شکل می‌گیرند. محققان نشان دادند که یک مسیر کاملاً بیولوژیک می‌تواند نیتروژن را به‌صورت پاک وارد سازد و در نتیجه محصول نهایی خالص‌تری تولید شده و تصفیه پسین ساده‌تر شود. در مقاله آنها در Metabolic Engineering، نویسندگان تیتراهای PDCA را گزارش کردند که بیش از هفت برابر گزارشهای میکروبی قبلی است — گامی معنی‌دار به‌سمت اهمیت صنعتی.
چالش‌های فنی و راه‌حل‌ها
یکی از گلوگاه‌های پایدار که تیم با آن روبه‌رو شد شامل یک آنزیم بیگانه بود که بهعنوان واکنش جانبی پراکسید هیدروژن (H2O2) تولید میکرد. H2O2 بسیار واکنش‌پذیر است و خود آنزیم را تخریب میکرد و یک حلقهٔ بازخورد منفی ایجاد میکرد که سنتز PDCA را محدود میساخت. گروه این مشکل را با تصفیه شرایط کشت و افزودن یک ترکیب پاککنندهٔ پراکسید به محیط کاهش داد، که آنزیم را محافظت کرده و جریان به مسیر PDCA را بازگرداند. تیم اذعان دارد که افزودن پاک‌کننده‌ها سوالاتی درباره هزینه و لجستیک برای مقیاسسازی مطرح می‌کند و راهحلهای ژنتیکی یا مهندسی فرایند را برای حذف نیاز به افزودنی‌های خارجی پیشنهاد می‌دهد.
کشف‌های کلیدی، پیامدها و گامهای بعدی
این کار سه پیشرفت مهم در پژوهش پلاستیک‌های زیستی فراهم می‌آورد: (1) نشان‌دادن اینکه میکروب‌ها میتوانند مونومرهای آروماتیک حاوی نیتروژن را بسازند، (2) افزایش قابل‌توجه تیتر PDCA در بیوراکتورها، و (3) رفع عملی مشکل ناپایداری آنزیم ناشی از گونه‌های اکسیژن واکنش‌پذیر. این نکات با هم مجموعه مولکول‌های قابل‌دسترس از طریق تخمیر میکروبی را گسترش می‌دهند و PDCA را به‌سمت بررسی‌های تجاری شدن بهعنوان جایگزینی برای PET مشتق‌شده از نفت نزدیک‌تر می‌کنند.
نویسندگان چند مسیر برای بهبود بیشتر توضیح می‌دهند: مهندسی واریانت‌های آنزیمی مقاوم به پراکسید، ادغام سامانه‌های درونسلولی تخریب پراکسید، و بهینهسازی بازده خوراکبهمحصول. در سطح صنعتی، تحلیل فنی-اقتصادی و ارزیابی چرخه عمر لازم خواهد بود تا پلیمرهای مبتنی بر PDCA با مواد موجود مقایسه شوند، با در نظر گرفتن منبع خوراک (گلوکز از زیست‌توده)، مصرف انرژی و قابلیت زیست‌تخریب‌پذیری در انتهای عمر محصول.
دیدگاه کارشناسان
دکتر مایا اورتگا، دانشمند مواد متخصص در پلیمرهای پایدار، می‌گوید: "این کار یک اثبات مفهوم مهم است. دستیابی به تیترهای بالای PDCA در بیوراکتورها یکی از گلوگاه‌های رایج — مقیاس‌پذیری — را هدف قرار می‌دهد. چالش‌های باقی‌مانده معمولاً پایداری آنزیم و هزینه‌های رقابتی تصفیهٔ پسین هستند. اگر این‌ها حل شوند، پلیمرهای مبتنی بر PDCA میتوانند وارد بازارهایی شوند که هم عملکرد مکانیکی و هم قابلیت زیست‌تخریب‌پذیری مورد نیاز است."
فراتر از بسته‌بندی و منسوجات، مونومرهای حاوی نیتروژن مانند PDCA میتوانند امکان ایجاد کلاس‌های جدیدی از مواد عملکردی با خواص حرارتی و سدّی قابل‌سفارشی‌سازی را فراهم کنند که به‌طور بالقوه بر بخش‌هایی از کالاهای مصرفی تا هوافضا تاثیرگذار خواهند بود، جایی که نسبت عملکرد به وزن اهمیت دارد.
نتیجه‌گیری
نشان‌دادن سنتز میکروبی با بازده بالا و پاک PDCA توسط دانشگاه کوبه، گامی قابل‌توجه به‌سمت پلاستیک‌های پایدار و با عملکرد بالا است. با یکپارچه‌سازی متابولیسم نیتروژن در یک مسیر زیست‌سنتزی کامل و حل مشکل ناپایداری آنزیم ناشی از پراکسید هیدروژن، این پژوهش مسیرهای جدیدی برای تولید بیولوژیک مونومرهای آروماتیک باز می‌کند. کارهای باقی‌مانده بر حذف نیاز به پاک‌کننده‌های شیمیایی، افزایش بیشتر بازده‌ها و اعتبارسنجی منافع اقتصادی و زیست‌محیطی در مقیاس صنعتی متمرکز خواهد بود. در صورت موفقیت، PDCA می‌تواند جایگزینی تجدیدپذیر و زیستتخریبپذیر برای PET در ظروف، الیاف و مواد تخصصی به صنعت ارائه دهد.
منبع: sciencedaily
.avif)
نظرات