السبانخ يحول اشعة الشمس الي سكر

إن الجمع بين الغشاء البيولوجي والكيمياء الاصطناعية يمكن أن يشجع الكائنات الاصطناعية المستقبلية.

هناك طريقة جديدة لتناول ثاني أكسيد الكربون. قام الباحثون ببناء نسخة مصطنعة من البلاستيدات الخضراء ، وهي هياكل التمثيل الضوئي داخل الخلايا النباتية. ويستخدم ضوء الشمس والمسار الكيميائي المصمم في المختبر لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سكر.

يمكن استخدام التمثيل الضوئي الاصطناعي لدفع المصانع الصغيرة غير الحية التي تعمل بالطاقة الشمسية والتي تنتج العقاقير العلاجية. ولأن المسار الكيميائي الجديد أكثر كفاءة من أي شيء تطورت الطبيعة ، يأمل الفريق أن تساعد عملية مماثلة في يوم من الأيام في إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي - على الرغم من أنه ليس من الواضح ما إذا كان يمكن تحويله إلى نطاق واسع ، عملية مجدية اقتصاديا.

طورت الطبيعة ستة مسارات لـ "تثبيت" ثاني أكسيد الكربون - أي تحويله إلى سكر باستخدام إنزيمات تسخر الطاقة الشمسية أو الكيميائية. في عام 2016 ، صمم توبياس إرب ، عالم الأحياء الاصطناعية في معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية في ماربورغ ، ألمانيا ، وزملاؤه سابعًا 2. يقول Erb: "لقد استخدمنا ببساطة اعتبارات الديناميكا الحرارية والحركية للسؤال عما إذا كان بإمكاننا إعادة التفكير في تثبيت ثاني أكسيد الكربون وجعله أكثر فاعلية". أطلقوا على المسار دورة CETCH - وهي شبكة معقدة من الإنزيمات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بنسبة 20 ٪ من المسار المستخدم في الأشكال الطبيعية لعملية التمثيل الضوئي.
إنزيمات دورة CETCH الخاصة بها لتعمل معًا.

لقد أنشأوا بفاعلية بلاستيدات صناعية ، حيث تحصد أغشية بلاستيدات السبانخ الطاقة الشمسية قبل أنزيمات دورة CETCH الاصطناعية تستخدم تلك الطاقة لتحطيم ثاني أكسيد الكربون. وتحول الإنزيمات ثاني أكسيد الكربون إلى جزيء يسمى جليكولات يمكن استخدامه كمادة وسيطة لصنع منتجات عضوية مفيدة.

يقول بول كينغ ، عالم الكيمياء الحيوية الفيزيائي في مختبر الطاقة المتجددة الوطني في غولدن ، كولورادو ، الذي لم يشارك في الدراسة: "إنه اكتشاف عميق".

على الرغم من أنها مجرد دليل على المبدأ ، إلا أنه من الممكن بالفعل التفكير في الطرق التي يمكن من خلالها تشغيل البلاستيدات الخضراء الصناعية ، كما يقول المؤلفان. بسبب التقدم في علم الأحياء التخليقي ، يمكن الآن هندسة الميكروبات لإنتاج جزيئات مفيدة مثل الأدوية الصيدلانية. ولكن هناك حدود لما يمكن تصنيعه داخل الخلايا الحية. يقول Erb أن البلاستيدات الخضراء يمكن أن تشغل المفاعلات الصغيرة غير الحية لإنتاج الجزيئات التي لا تستطيع الخلايا الحية.

تقول كيت أدامالا ، عالمة الأحياء الاصطناعية بجامعة مينيسوتا في مينيابوليس ، أنها قد تكون قادرة على القيام بذلك بكفاءة أكبر من الميكروبات. وتقول: "تنفق الخلايا الطبيعية الكثير من الطاقة على البقاء على قيد الحياة ، في حين أن [الأنظمة] الاصطناعية لا تحتاج إلى النمو أو التكاثر أو الحفاظ على أي وظائف تشبه الحياة". وهذا يعني أن "التمثيل الغذائي" بأكمله لنظام اصطناعي يمكن أن يركز على إنتاج مواد كيميائية ذات قيمة. يقول Adamala أنه من الممكن حتى تخيل البلاستيدات الخضراء التي لها دور في عزل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

ولكن هناك مشاكل يجب معالجتها قبل أن تصبح هذه التطبيقات حقيقة. على سبيل المثال ، تعمل أغشية السبانخ داخل البلاستيدات الخضراء الصناعية لبضع ساعات فقط قبل أن تبدأ في التدهور ، مما يحد من عمر النظام. وتستهلك زراعة السبانخ واستخراج الأغشية من خلاياه وقتًا نسبيًا. يقول إيرب: "إن استخدام خلاصات البلاستيدات الخضراء ليس أذكى ما يمكن ترقيته". وبسبب هذا ، يقوم فريقه أيضًا بتطوير أنظمة اصطناعية لتحل محل أغشية السبانخ.

هناك أيضًا إمكانية محيرة لاستخدام البلاستيدات الخضراء الاصطناعية لبناء كائنات اصطناعية بالكامل - خلايا مجمعة في المختبر من لبنات الحياة البيولوجية الأساسية - على الرغم من وجود تحديات أخرى يجب معالجتها.

يقول يوتيتسو كوروما ، عالم الأحياء الاصطناعية في معهد طوكيو للتكنولوجيا: "قد نتمكن من استخدام مقلدات البلاستيدات الخضراء كنظام لإنتاج الطاقة للخلايا الاصطناعية". ولكن من أجل القيام بذلك ، يقول إنه سيكون من المفيد أن تمتلك البلاستيدات الخضراء بعض القدرة على الإصلاح الذاتي والتكاثر الذاتي ، مثلما تفعل البلاستيدات الخضراء. هذا شيء لا يمكنهم فعله حتى الآن.

لكن هذا لم يمنع إيرب وزملائه من بدء التجارب مع الخلايا الاصطناعية. بدأ الفريق في التعاون مع الباحثين في معهد J.Craig Venter في لا جولا ، كاليفورنيا ، الذين قاموا في عام 2016 ببناء خلايا اصطناعية صغيرة تحتوي على الحد الأدنى من الجينات مدى الحياة. وتتمثل الخطة في وضع دورة CETCH داخل الخلايا "الضئيلة" - والتي قد تكون خطوة صغيرة نحو صنع حياة اصطناعية يمكنها إطعام نفسها عن طريق المضغ على ثاني أكسيد الكربون.

يقول Erb: "يمكن أن تكون الطبيعة محافظة للغاية ، فهي لم تستكشف أبدًا النطاق الكامل لخيارات التمثيل الضوئي". "هذا ما يثيرنا: يمكننا أن ندرك الحلول التي لم تتطرق إليها الطبيعة".
هذا كل شئ اتمني ان تكونوا قد استفدتم
المصدر: Nature