المواضيع

النباتات الطافرة لتحييد ثاني أكسيد الكربون الزائد

النباتات الطافرة لتحييد ثاني أكسيد الكربون الزائد

ابتكر العلماء الألمان والأمريكيون مسارًا حيويًا لتحقيق تثبيت الكربون بشكل أكثر كفاءة في النباتات من خلال الاستفادة من خبرة تركيب الحمض النووي.

يعتمد هذا المسار الجديد على إنزيم جديد مرتبط بثاني أكسيد الكربون أسرع بنحو 20 مرة من الإنزيم الأكثر انتشارًا في الطبيعة المسؤول عن التقاط ثاني أكسيد الكربون في النباتات باستخدام ضوء الشمس للحصول على الطاقة. تم نشر البحث في مجلة Science.

يقول مدير الدراسة توبياس إيرب من معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية: "لقد رأينا كيف أن الجهود المبذولة لتجميع المسارات الاصطناعية مباشرة لتثبيت ثاني أكسيد الكربون في كائن حي لم تنجح حتى الآن". المكونات الاصطناعية الرئيسية في المنبع في أنبوب اختبار. "

على الرغم من التنوع الكبير للكائنات الحية على الكوكب التي تعبر عن الإنزيمات لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات عضوية مثل السكريات - كما تفعل النباتات من خلال التمثيل الضوئي - فإن الجهود المبذولة للاستفادة من هذه القدرات لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات عالية القيمة مثل الوقود الحيوي والمواد الكيميائية الموجودة لديهم حقق نجاحًا محدودًا. على الرغم من أن التركيز المتزايد لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يمثل تحديًا ، إلا أن الباحثين يرونه أيضًا فرصة.

بدأ الفريق بالعديد من طرق التثبيت النظرية لثاني أكسيد الكربون التي يمكن أن تؤدي إلى استمرار دورة الكربون ، لكنها لم تتوقف عند هذا الحد. يقول إيرب: "لم نحصر جهودنا في التصميم على الإنزيمات المعروفة ، بل أخذنا في الاعتبار جميع التفاعلات التي بدت مجدية من الناحية الكيميائية الحيوية".

على عكس تسلسل الحمض النووي ، حيث تُقرأ لغة الحياة من جينوم الكائن الحي ، يتضمن تخليق الحمض النووي أولاً تحديد عنصر وراثي معين - مثل إنزيم لإصلاح الكربون في الغلاف الجوي - وكتابة هذا الرمز والتعبير عنه في نظام جديد.

في النهاية ، حصلوا ، من خلال التسلسل والتوليف ، على 17 إنزيمًا مختلفًا من تسعة كائنات مختلفة عبر ممالك الحياة الثلاث ورتبوا هذه الأجزاء لتحقيق مبدأ عمل لتثبيت ثاني أكسيد الكربون يتجاوز ما هو معروف.يمكن العثور عليها في الطبيعة. يطلق إيرب على هذا "دورة CETCH" (كروتونيل- CoA / إيثيل مالونيل -12 CoA / هيدروكسي بوتريل- CoA).

قطع مهمة من "لغز المناخ"

من خلال الكشف عن مفهوم "التركيب الرجعي" الأيضي ، وتفكيك التفاعل خطوة بخطوة إلى أصغر السلائف ، قام الفريق بالتوفيق بين الظروف الديناميكية الحرارية وطوّر إستراتيجية أنتجت نتائج واعدة أكثر تنافس بشكل إيجابي المسارات الأيضية الطبيعية. لذا فقد بحثوا في قواعد البيانات العامة عن الإنزيمات التي تدعم نموذجهم واختاروا العشرات للاختبار.

يقول إيرب: "أولاً ، أعدنا تشكيل تسلسل تفاعل الارتباط التدريجي لثاني أكسيد الكربون ، وتوفير المكونات لتحفيز جميع التفاعلات المرغوبة ، ثم بعد تدفق ثاني أكسيد الكربون اكتشفنا أي تفاعل رئيسي محدد كان يحد من المعدل". تبين أن هذا هو ميثيلسوكسينيل- CoA dehydrogenase (Mcd) ، وهو جزء من عائلة من الإنزيمات المشاركة في التنفس ، والتفاعل الأيضي في خلايا الكائنات الحية لتحويل العناصر الغذائية مثل الكربون إلى وحدات طاقة.

"للتغلب على هذا القيد ، صممنا Mcd لاستخدام الأكسجين كمستقبل للإلكترون ، لتضخيم الوظيفة ، لكن هذا لم يكن كافيًا - يصف Erb -. كان علينا استبدال تصميم المسار الأصلي بتسلسلات تفاعل بديلة ، باستخدام المزيد من الهندسة الإنزيمية لتقليل التفاعلات الجانبية للإنزيمات وإدخال إنزيمات المراجعة لتصحيح تكوين المستقلبات المسدودة ".

دعماً للجهود التي يبذلها فريق MPI ، قام معهد الجينوم المشترك بالولايات المتحدة بتجميع المئات من متغيرات إنزيم Enoyl-CoA Carboxylase / Reductase (ECR) من خلال برنامج علوم المجتمع. سمح ذلك لفريق MPI بالتخلص من ECR مع أعلى نشاط ربط CO2 لبناء مسار صناعي أكثر كفاءة لربط CO2 في أنبوب اختبار.

يوضح إيرب: "إن الإنزيمات ECR هي إنزيمات فائقة الشحن قادرة على تثبيت ثاني أكسيد الكربون بمعدل أسرع بحوالي 20 مرة من أكثر إنزيمات ربط ثاني أكسيد الكربون انتشارًا في الطبيعة ، RuBisCo ، والتي تقود الزيادة الكبيرة في عملية التمثيل الضوئي".

تستفيد هذه العملية الكيميائية من ضوء الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سكريات يمكن أن تستخدمها الخلايا كطاقة إلى جانب العمليات الطبيعية الأخرى على الكوكب وتمثل تحول حوالي 350 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا.

المبتكرات


فيديو: مدخل غاز ثاني أكسيد الكربون (يوليو 2021).