أظهر باحثون من قسم الهندسة الكيميائية والكيمياء التطبيقية بجامعة تورنتو أن المجتمعات البكتيرية المتخصصة قادرة على إنتاج الأحماض الكربوكسيلية متوسطة السلسلة والأحماض الدهنية (MCFAs). وتستخدم هذه المركبات في مستحضرات التجميل وتجهيز الأغذية ومضادات الميكروبات والمواد الخافضة للتوتر السطحي. ونشرت نتائج الدراسة في علم الأحياء الدقيقة الطبيعة.

“تُعرف المواد الكيميائية التي ننظر إليها هنا باسم الأحماض الكربوكسيلية متوسطة السلسلة. ويبلغ حجم السوق العالمية لهذه المواد حوالي 3 مليارات دولار.”

التخمر البكتيري كنموذج صناعي

درس العلماء البكتيريا الممتدة السلسلة (CEB). أنها تتطور في بيئات نقص الأكسجين وتعيش بشكل طبيعي في التربة والرواسب والنظم البيئية المعوية. السمة الرئيسية لها هي القدرة على تجميع الجزيئات العضوية في سلاسل ذات أطوال مختلفة أثناء تخمير الركائز البسيطة.

وعلى عكس النهج التقليدي، الذي يستخدم السكريات المكررة من المواد الخام الزراعية، يقترح الفريق تغذية البكتيريا بالنفايات العضوية. وقد تكون هذه بقايا تجهيز الأغذية، أو مواد من أنظمة إعادة التدوير العضوية، أو منتجات ثانوية من قطاع الصناعات الزراعية، بما في ذلك نفايات الألبان.

ملاحظات لوسون:

“نريد استخدام سلالات بكتيرية تنتج الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة بشكل طبيعي، من خلال عملية تخمير بسيطة. وهذا مشابه لكيفية استقلاب الخميرة للسكر إلى إيثانول في صناعة التخمير.”

عدم استقرار المنتج والتحكم في العملية

تكمن الصعوبة التكنولوجية الرئيسية في عدم القدرة على التنبؤ بالنتيجة. من الناحية المثالية، يجب أن تنتج البكتيريا حمض الأوكتانويك (C8)، وهو الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة الأكثر قيمة. ومع ذلك، في العالم الحقيقي، غالبًا ما يتحولون إلى تخليق الزبدات (C4)، الذي له قيمة تجارية أقل.

يقول لوسون: “نريدهم أن ينتجوا حمض الأوكتانويك. لكنهم غالبًا ما ينتجون الزبدات. يعتمد المنتج الذي تحصل عليه على الظروف، وحتى الآن يكاد يكون من المستحيل التنبؤ به”.

ووجد الفريق أن العامل الحاسم هو نسبة الأسيتات إلى اللاكتات، وهي جزيئات عضوية بسيطة تستخدمها البكتيريا كمواد أولية. يؤثر تغيير توازنها بشكل مباشر على طول سلسلة الكربون للمنتج النهائي.

كيف تتكون الجزيئات ذات الأطوال المختلفة

يتم إيلاء اهتمام خاص لإنزيم CoA Transferase (CoAT). فهو يشارك في خطوة أساسية في تكوين الأحماض النهائية، وفي الواقع “يقرر” المدة التي سيستغرقها الجزيء.

في بعض البكتيريا، يكون هذا الإنزيم قادرا على العمل مع مركبات وسيطة تصل إلى 8 ذرات كربون، مما يجعل من الممكن الحصول على منتجات أكثر قيمة. وفي حالات أخرى، يقتصر على السلاسل القصيرة، مما يؤدي إلى تكوين الزبدات فقط. وهكذا، فإن الاختلافات في نشاط إنزيم واحد تصبح عاملاً حاسماً في القيمة الصناعية للعملية الحيوية بأكملها.

لا يقتصر العمل على التجارب المعملية. وبالتوازي، يفكر الباحثون في كيفية نقل العملية إلى نطاق صناعي. وتتلخص الفكرة في إنشاء منشأة حيث تستطيع البكتيريا “العمل” بشكل مستقر في مفاعلات ضخمة ومعالجة تيار من النفايات العضوية ــ على سبيل المثال، بقايا الطعام أو المنتجات الثانوية الزراعية ــ وتحويلها إلى المواد الكيميائية المرغوبة من دون تنقية أولية معقدة للمواد الخام.

الصورة: إنديرجيت باجوا

من اليسار إلى اليمين: كونور باورز (ماجستير الهندسة الكيميائية 2T5)، وطالب الدكتوراه إيان جويس والبروفيسور كريس لوسون هم جزء من فريق الهندسة الكيميائية الذي يستخدم التخمير البكتيري لتحويل النفايات إلى أحماض دهنية ذات قيمة تجارية.

وبالتوازي، يعمل الباحثون على “ضبط” البكتيريا للوصول إلى النتيجة المرجوة. للقيام بذلك، يتم ضبط عملية التمثيل الغذائي والجينات الخاصة بهم بحيث تنتج في كثير من الأحيان جزيئات أطول – ما يصل إلى 9-12 ذرة كربون. وببساطة، يتمثل التحدي في تحويل عملهم نحو منتجات ذات قيمة أعلى بدلاً من الاتصالات الأقصر والأقل استحسانًا.

يؤكد لوسون:

“إذا أردنا بيع هذه المواد الكيميائية في السوق المفتوحة، علينا أن نظهر أنه يمكننا استخدام هذه الكائنات الحية الدقيقة في عملية مفاعل حيوي متكامل تمامًا وإنتاجها على نطاق واسع وبأسعار تنافسية.”

ويعتقد الباحثون أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تقلل الاعتماد على زيت النخيل بينما تساعد في إعادة تدوير النفايات العضوية. وفي المستقبل، يمكن أن تصبح إدارة التمثيل الغذائي الميكروبي بديلاً لأجزاء من الصناعة الكيميائية التقليدية – مع تأثير أقل على البيئة ومصادر أكثر مرونة للمواد الخام.

إقرأ المزيد