6 دقیقه
مسیر میکروبی به سوی یک مادهٔ پلاستیکی قابلتجزیهتر
پلاستیک پایهٔ زندگی مدرن است اما همچنان برای محیط‌زیست هزینه‌زا باقی مانده: تولید آن به شدت به سوخت‌های فسیلی وابسته است و بخش زیادی از آن به‌صورت آلودگی پایدار می‌ماند. پژوهشگران دانشگاه کوبه در ژاپن پیشرفتی قابل‌توجه در تولید اسید پیریدیندیکاربوکسیلیک (PDCA)، یک مونومر حاوی نیتروژن که میتواند در پلیاسترها برای افزایش قابل‌تجزیه‌پذیری و کاهش وابستگی به اسید ترفتالیک مشتق از نفت بهکار رود، گزارش کرده‌اند. محققان مقدار این جایگزین پلاستیکی را بسیار بیشتر از گذشته تولید کرده‌اند. (Tanaka Tsutomu)
PDCA خودش یک محصول پلاستیکی نهایی نیست، بلکه بلوک سازندهٔ جایگزینی برای پلیمرهایی مانند PET (پلی‌اتیلن ترفتالات) است. جایگزینی مونومرهای غیرقابل‌تجزیه با PDCA امکان تولید پلاستیک‌هایی را فراهم می‌آورد که خواص مکانیکی مطلوب را حفظ کرده و در عین حال در شرایط مناسب آسان‌تر تجزیه می‌شوند. مطالعات پیشین پتانسیل PDCA را نشان داده‌اند؛ کار جدید دانشگاه کوبه بر ارائهٔ PDCA با بازده بالاتر و شیمی پاک‌تر تمرکز دارد که نیازهای کلیدی برای پذیرش صنعتی هستند.
مهندسی متابولیک و بهبود فرایند
تیم از سلول‌های مهندسی‌شدهٔ Escherichia coli که با گلوکز تغذیه می‌شدند و مجهز به آنزیمهای انتخاب‌شده بودند استفاده کرد تا مسیرهای متابولیک را به سمت PDCA هدایت کنند.
PDCA با استفاده از E. coli و آنزیم‌ها تولید شد. (Katano et al., Metab. Eng., 2025)
تغییرات فنی کلیدی
- انتخاب آنزیم: پژوهشگران آنزیم‌هایی از متابولیسم نیتروژن را وارد کردند تا میکروب بتواند نیتروژن را به طور مستقیم در حلقهٔ آروماتیک در حال رشد وارد کند و از نیاز به مراحل شیمیایی جداگانهٔ آمینه‌دار کردن جلوگیری شود.
- بهینهسازی فرایند: اصلاح شرایط کشت و توالی واکنش‌ها بازده PDCA را تقریباً تا هفت برابر نسبت به روش‌های پیشین افزایش داد.
- کنترل محصولات جانبی: تغییرات اولیه منجر به تولید یک محصول جانبی سمی مرتبط با تشکیل پراکسید هیدروژن (H2O2) شد. تیم این مشکل را با افزودن یک پاککنندهٔ پیروات و تنظیم پارامترهای کشت برای خنثی‌سازی H2O2 بدون ایجاد آلاینده‌های جدید حل کرد.
این پیشرفت‌ها نشان میدهد که واکنش‌های متابولیکی سلولی می‌توانند واردسازی نیتروژن را به‌صورت پاک و کارآمد انجام دهند، گامی مهم زیرا بسیاری از مسیرهای سنتتیک برای مونومرهای حاوی نیتروژن به واکنش‌دهنده‌های خطرناک متکی‌اند یا زبالههای سمی تولید می‌کنند. به‌گفتهٔ مهندس زیست‌شناسی ارشد Tanaka Tsutomu، «گروه ما از زاویه‌ای جدید به این چالش پرداخت. هدف ما استفاده از متابولیسم سلولی برای جذب نیتروژن و ساخت کامل ترکیب از ابتدا تا انتها بود.» او افزود که این کار نشان میدهد واکنش‌های متابولیک می‌توانند نیتروژن را بدون تولید محصولات جانبی نامطلوب وارد کنند و سنتز پاک‌تر ترکیبات هدف را ممکن سازند.
با وجود افزایش بازده و خلوص، نویسندگان هشدار می‌دهند که افزودن پیروات یا پاک‌کننده‌های مشابه ملاحظات اقتصادی و لجستیکی برای تولید در مقیاس بزرگ به‌وجود می‌آورد. کارهای بیشتر برای توسعهٔ مقیاس نیاز خواهد داشت هزینهٔ معرفها، پالایش پس از تولید و طراحی راکتور را در برابر مزایای زیستمحیطی و عملکرد محصول مورد سنجش قرار دهند.
پیامدها، مواد مرتبط و چشم‌انداز آینده
تولید میکروبی بهبودیافتهٔ PDCA آن را به بهره‌برداری تجاری بهعنوان یک مادهٔ بیوپایهٔ جایگزین برای مونومرهای مشتق از نفت در تولید پلیاسترها نزدیک‌تر میکند. این ترکیب میتواند از خوراکهای تجدیدپذیر (مثلاً گلوکز) در سیستم‌های بیوراکتری تولید شود و به سمت یک رویکرد یکپارچهٔ تولید بیولوژیکی اشاره دارد که در آن خوراک، میکروب‌های مهندسی‌شده و شرایط راکتور به‌صورت هم‌بهینه تنظیم می‌شوند.
مواد بیومتری مرتبط نیز در حال ظهور هستند: سلولز باکتریایی ترکیب‌شده با نیترید بور شش‌ضلعی (BCBN) امسال گزارش شده است و نشان میدهد چگونه محصولات میکروبی می‌توانند برای تقویت خواص مکانیکی و حرارتی ساختاربندی شوند. این تحولات در کنار هم روند گسترده‌تری در علم مواد را نشان می‌دهند که به سمت جایگزین‌های با عملکرد بالا و منشا زیستی می‌رود و وابستگی به منابع فسیلی را کاهش میدهد.
چالش‌های مقیاسپذیری همچنان جدی‌اند: اقتصاد فرایند، تامین معرفها (از جمله هر پاککنندهٔ H2O2 مانند پیروات)، تاییدهای مقرراتی برای شیمی پلیمرهای جدید و تحلیل چرخهٔ عمر برای تایید منفعت خالص زیستمحیطی. با این حال، گزارش افزایش هفتبرابری بازده PDCA و حذف آلاینده‌های سمی پیشین، گام‌های مهمی برای زیست‌فناوری صنعتی و توسعهٔ مواد پایدار هستند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر Mira Patel، دانشمند مواد (تخیلی)، اظهار داشت: «این کار نمایشی عمل‌گرایانه از این است که چگونه مهندسی متابولیک میتواند به مونومرهایی دست یابد که زمانی در حوزهٔ شیمی نفتی بودند. موانع عملی—هزینهٔ پاک‌کننده‌ها، پالایش و آزمون پلیمر—واقعی‌اند، اما رویکرد مبتنی بر زیست‌شناسی فاصله بین پایداری در مقیاس آزمایشگاهی و واقعیت صنعتی را کاهش میدهد. اگر پلی‌استرهای مبتنی بر PDCA با جریان‌های بازیافت موجود سازگار باشند، پذیرش آن‌ها میتواند تسریع شود.»
نتیجه‌گیری
استراتژی مهندسی متابولیک تیم دانشگاه کوبه به‌طور محسوسی تولید PDCA را افزایش داده و محصولات جانبی سمی را کاهش داده است و مسیر بیوپایه‌ای به سوی مونومرهای پلی‌استری قابل‌تر تجزیه‌تر پیش می‌برد. اگرچه مقیاسپذیری تجاری هنوز نیازمند حل مسائل هزینهٔ معرفها، طراحی راکتور و فرایندهای بعدی است، این پژوهش دامنهٔ مولکول‌هایی را که از طریق سنتز میکروبی قابل دسترسی‌اند گسترش میدهد و دلیل قوی‌تری برای تولید پلاستیک‌های کم‌اثرتر از طریق فرایندهای زیست‌ساخت فراهم می‌آورد.
منبع: sciencealert
نظرات