دیدگاهگازهای گلخانه ای

جذب زیستی دی‌اکسیدکربن توسط میکروارگانیسم های مهندسی شده

دی‌اکسیدکربن یکی از گازهای گلخانه‌ای است که باعث پدیده گرمایش زمین می‌شود. جذب و جداسازی دی‌اکسیدکربن توسط میکروارگانیسم‌ها علاوه‌بر حل مسأله تغییرات اقلیمی و گرمایش جهانی، محصولات مفیدی مانند بیودیزل‌ها را نیز تولید می‌کند.


جداسازی دی‌اکسیدکربن: از زمین تا سلول

افزایش غلظت دی‌اکسیدکربن یکی از عوامل پدیده پیچیده گرمایش جهانی است. این مشکل، جامعه علمی و صنعتی را بر آن داشته است که روش‌هایی را برای ذخیره‌سازی و کاهش انتشار این گاز پیدا کنند. جداسازی دی‌اکسیدکربن توسط میکروارگانیسم‌ها، روش دوست‌دار محیط‌زیستی است که علاوه بر کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن، باعث تولید محصولات با ارزشی نیز می‌شود. راهبردهای بهبود این فرایند شامل هر دو گزینه افزایش جذب دی‌اکسیدکربن توسط میکروارگانیسم‌ها و کاهش انتشار آن توسط آن‌ها می‌باشد. (شکل 1)

جذب دی‌اکسیدکربن

جذب کربن‌دی‌اکسید

هر دو میکروارگانیسم اتوتروف و هتروتروف دی‌اکسیدکربن را جذب می‌کنند. میکروارگانیسم‌های اتوتروف دی‌اکسیدکربن را به‌عنوان منبع کربن مصرف می‌کنند و مواد با ارزشی مانند بیودیزل، آنتی‌اکسیدان، کود زیستی و ترکیبات زیست‌فعال تولید می‌کنند. البته هم‌چنان مقدار و سرعت تولید مواد شیمیایی از میکروارگانیسم‌های اتوتروف باید بهبود یابد. به‌طور مثال، بیشترین سرعت تولید چربی از ریزجلبک، 5 گرم بر مترمربع بر روز است در حالی که برای اقتصادی کردن فرایند، این مقدار باید به 30 گرم بر مترمربع بر روز برسد.

در مقابل، میکروارگانیسم‌های هتروتروف می‌توانند مواد شیمیایی مانند لاکتات و اتانول را با سرعت بیشتری تولید کنند. علاوه بر این، ابزارهای ژنتیکی برای هتروتروف‌ها پیشرفته‌تر است. با این وجود، جذب دی‌اکسیدکربن در هتروتروف‌ها وابسته به استفاده از مواد آلی است تا انرژی لازم را تأمین کند. در این صورت، جذب کلی دی‌اکسیدکربن زمانی اتفاق می‌افتد که محصولات خاصی مانند ملات و سوکسینات تولید شود. چالش اصلی استفاده از میکروارگانیسم‌های هتروتروف فراهم آوردن منبع دیگری از انرژی برای سلول است.

طی فرایند تخمیر میکربی، دی‌اکسیدکربن از واکنش‌های دیکربوکسیلاسیون، اکسیداسیون احیاء و تولید آدنوزین‌تری‌فسفات آزاد می‌شود. تولید دی‌اکسیدکربن باعث کاهش بازدهی تولید مواد دیگر می‌شود زیرا از هر 3 اتم کربن یکی از آن‌ها تبدیل به دی‌اکسیدکربن و 2 عدد از آن‌ها به اتانول تبدیل می‌شود. علاوه براین، آزادسازی میکروبی دی‌اکسیدکربن ممکن است باعث کاهش جذب آن توسط میکروارگانیسم‌های اتوتروف شود. راه‌های متابولیکی و متابولیسم انرژی سلول‌ها می‌تواند بهبود یابد تا از وقوع این اتفاقات منفی جلوگیری شود.

میکروارگانیسم‌های جاذب دی‌اکسیدکربن و استفاده تجاری از آن‌ها

میکروارگانیسم‌های جاذب دی‌اکسیدکربن به دو گروه اتوتروف و هتروتروف دسته‌بندی می‌شوند. از جمله میکروارگانیسم‌های اتوتروف می‌توان به باکتری‌ها، سیانوباکتری‌ها، کرنارکیوتا و بتاپروتئوباکتریا اشاره کرد. تنها برخی از این میکروارگانیسم‌ها مانند ریزجلبک، سیانوباکتر و استوژن‌ها برای بهبود ژنتیک استفاده شده‌اند.

سیانوباکترها از خانواده پروکاریوت‌های فوتواتوتروف اکسیژنیک هستند که بیشترین بهبود را در سلول‌های اتوتروف یافته‌اند. ریزجلبک‌ها از خانواده یوکاریوت‌های فوتواتوتروف اکسیژنیک هستند. استوژن‌ها از جمله میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی اجباری و شیمیولیتواتوتروف هستند که در مهندسی ژنتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

میکروارگانیسم‌های هتروتروف دی‌اکسیدکربن را از طریق واکنش‌های کربوکسیلاسیون در راه‌های متابولیکی حذف می‌کنند که انرژی واکنش‌ها از طریق تخریب مواد آلی تأمین می‌شود.

هم‌اکنون، استفاده تجاری از میکروارگانیسم‌های جاذب دی‌اکسیدکربن بسیار محدود است. میکروارگانیسم اصلی که در جداسازی دی‌اکسیدکربن استفاده می‌شود، ریزجلبک است که به میزان 5000 تُن ریزجلبک خشک در سال تولید می‌شود. سوخت زیستی حاصل از ریزجلبک می‌تواند جایگزین مناسبی برای 1200 میلیارد لیتر بنزین سالانه امریکا باشد، اگر میزان تولید هزار برابر افزایش و هزینه تولید ده‌ برابر کاهش یابد. علاوه بر این، برخی از مواد با ارزش از زیست‌‌توده جلبک‌ها و سیانوباکترها قابلیت تولید دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به بتاکاروتین، استازانتین و هیدروژن سیانوباکترها اشاره کرد.

راه‌های انتشار و جداسازی بیولوژیکی دی‌اکسیدکربن

طی فرایند تخمیر، دی‌اکسیدکربن از سه روش آزاد می‌شود. روش اول از طریق واکنش‌های دیکربکسیلاسیون در راه‌های سنتز محصول است. روش دوم از طریق واکنش‌های اکسیداسیون احیایی است که به دو صورت چرخه تنفسی و مسیر پنتوز انجام می‌شود. روش سوم از طریق تولید آدنوزین‌تری‌فسفات است که باعث تنظیم و نگه‌داری سلول می‌شود.

تقویت جذب دی‌اکسیدکربن در میکروارگانیسم‌های اتوتروف

جذب دی‌اکسیدکربن در میکروارگانیسم‌های اتوتروف می‌تواند به‌عنوان راهی بیان شود که توسط انرژی سلول (مولکول‌های آدنوزین‌تری‌فسفات) راه‌اندازی می‌شود. انرژی سلول باعث می‌شود که کربن غیر زیستی مانند کربنیک اسید به متابولیت‌های آلی مانند کوآنزیم استیل و پیروات تبدیل شود. بنابراین جذب دی‌اکسیدکربن در میکروارگانیسم‌های اتوتروف می‌تواند از طریق بهبود این مسیرهای بیولوژیکی افزایش یابد و از این طریق سیستم تولید انرژی سلول با بازدهی بیشتری کار می‌کند و توزیع فلاکس کربن برای مصرف سلولی تنظیم می‌شود. (شکل 2-B-D)

راهبردهای جذب دی‌اکسیدکربن

استراتژی‌های جذب کربن‌دی‌اکسید

بهبود بازدهی مسیرهای جذب دی‌اکسیدکربن

مسیرهای جذب دی‌اکسیدکربن می‌تواند با تنظیم آنزیم‌های جذب دی‌اکسیدکربن، بهبود خواص آنزیم کربوکسیلاز و درست‌کردن مسیرهای جذب دی‌اکسیدکربن بهتر شود. کربوکسیلاز و آنزیم‌های کنترل‌کننده فلاکس کربن موارد مناسبی برای بهبود و اصلاح هستند. کربوکسیلاز مهم‌ترین آنزیم در مسیرهای جذب دی‌اکسیدکربن است. بنابراین تلاش‌های زیادی جهت بهبود خواص کاتالیستی این آنزیم انجام شده است.

تاکنون بهترین روش بهبود، توسط تلفیق انتخاب اشریشیا کلی با تکامل چاپروان به‌دست آمده است. در آن تحقیق، میوتانت RuBisCO با ظرفیت کربوکسیلاسیون بیش از 3 برابر، در اشریشیاکلی وابسته به RuBisCO، با توجه به پروتئین‌های چاپروان GroEL/ES و RbcX به‌دست آمد.

بخوانید  کاهش گرفتگی در بیوفیلترها

راهبردهای مذکور برای بهبود خواص مسیرهای جذب دی‌اکسیدکربن به‌علت نیاز به انرژی و حساسیت نسبت به اکسیژن نمی‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند. بنابراین چهار مسیر سنتزی جذب دی‌اکسیدکربن طراحی شد. اساس این طراحی بر مبنای آنزیم‌های شناخته‌شده در مسیرهای بیولوژیکی مختلف قرار دارد. از این مسیرهای بیولوژیکی می‌توان به چرخه PyrS-PyrC-Glyoxylate، C4-PyrC-alanine و مالونیل-کوآ-اکسالوستات-گلی‌اکسیلات و CETH اشاره کرد.

در میان این چرخه‌ها، CETH ممکن است بیشترین پیچیدگی را از نظر مهندسی متابولیک داشته باشد، چرا که از واکنش‌های جدیدی ساخته شده است درحالی که مسیرهای دیگر از تلفیق واکنش‌های شناخته شده به وجود آمده‌اند. به‌هرحال، این مسیرهای جذب دی‌اکسید‌کربن در میکروارگانیسم‌های اتوتروفیک استفاده نشده‌اند که از عوامل این امر می‌توان به سختی اصلاح ژنتیکی سلول‌های میزبان‌ اشاره کرد. هنگامی که ابزارهای ژنتیکی بهتری برای این میکروارگانیسم‌ها ابداع شوند، بازدهی فرایند جذب دی‌اکسید‌کربن می‌تواند توسط این مسیرها بهبود یابد.

توسعه سیستم تولید انرژی

با توجه به اینکه جذب دی‌اکسید‌کربن انرژی زیادی می‌خواهد، روش دیگر تقویت جذب آن توسط اتوتروف‌ها می‌تواند مربوط به بهینه‌سازی سیستم‌های نوری طبیعی، تولید سیستم‌های نوری مصنوعی و بهبود سیستم‌های مصرف‌کننده الکتریسیته باشد (شکل 2C). به منظور بهبود سیستم‌های نوری طبیعی، مطالعات اخیر بر رودوپسین‌های انتقال‌دهنده پروتون، اصلاح مراکز واکنش‌های فوتوسنتز و افزایش طول موج نور تولیدی تمرکز داشته است.

در میان این روش‌ها، اصلاح مراکز واکنش‌های فوتوسنتز از اهمیت بیشتری برخوردار است، زیرا سیستم‌های نوری می‌توانند بیش از یک پروتون در برابر فوتون دریافت شده، انتقال دهند و نور بیشتری را نیز می‌توانند جذب کنند.

البته مهندسی سیستم‌های نوری طبیعی برای میکروارگانیسم‌هایی که قابلیت استفاده از نور را ندارند چندان مناسب نیست. بنابراین سیستم‌های نوری مصنوعی طراحی شده‌اند که در آن از نانوموادهایی مانند نانوسیم‌های دوپیونده، نانولوله‌های کبالت-فتالوسیانین، و نانوساختارهای زئولیتی استفاده شده است. تاکنون موفق‌ترین ساختار نوری مصنوعی توانسته است که مورلا ترمواستیکا را با کمک نانوذرات کادمیم سولفید وادار به فوتوسنتز کند. در مطالعه مذکور از ماده نانوفوتوسنتزی ام.ترمواستیکا اصلاح شد تا بتواند نور را در مسیرهای جذب دی‌اکسید‌کربن استفاده کند و بازده کوانتوم 2.44 درصد داشته باشد که از مشابه آن در گیاهان و جلبک‌ها، حدوداً 0.2 تا 1.6 درصد، بیشتر است. البته بازده تبدیل نور به ماده در این فرایند تنها 1 تا 3 درصد بوده‌است که باعث افزایش انگیزه برای بهبود سیستم‌های مصرف الکتریسیته برای میکروارگانیسم‌های اتوتروف شده است. پیش‌بینی می‌شود که بازده کلی تبدیل نور به ماده می‌تواند بین 9 تا 10 درصد افزایش یابد.

به‌منظور جذب الکتریکی دی‌اکسید‌کربن، میکروارگانیسم‌ها می‌توانند به‌طور مستقیم الکترون را از کاتد دریافت کنند یا به‌طور مستقیم از حامل‌های الکترون مانند هیدروژن بگیرند. تاکنون، روش دوم غالب بوده است چرا که میکروارگانیسم‌های کمی می‌توانند به‌طور مستقیم از کاتد الکترون دریافت کنند.

تنظیم توزیع شار کربن

با تنظیم توزیع شار کربن، جذب دی‌اکسید‌کربن توسط اتوتروف‌ها تقویت می‌شود. این فرایند توسط بهبود مسیرهای تولید محصول، فاکتورهای تولید مثل سلولی و منابع کربن آلی انجام می‌شود (شکل 2D). بهبود مسیرهای تولید محصول می‌تواند جذب دی‌اکسید‌کربن را به‌شدت تحت تأثیرقرار دهد و به‌نوعی چاه دی‌اکسید‌کربن در سلول به‌وجود بیاورد. هنگامی‌که مسیر ناهمگن ایزوپروپانول بر سینکوسیستیس پی.سی.سی اعمال شود، سرعت جذب دی‌اکسید‌کربن و تولید زیست‌توده به‌ترتیب 38 و 84 درصد افزایش می‌یابد.

البته تمامی روش‌های بهبود مسیرهای تولید محصول، ممکن است برای جذب دی‌اکسید‌کربن پربازده نباشند، چرا که ممکن است عدم‌توازنی بین محصول و زیست‌توده به‌وجود بیاید. برای حل این معضل، شبکه‌های متابولیسم برای مهندسی فاکتورهای تولیدمثل سلولی می‌تواند تأثیر داشته باشد. البته مشخص‌کردن این فاکتورها می‌تواند بسیار سخت باشد و بنابراین راهبردهای دیگری برای این کار لازم است. اخیراً از مواد آلی در کنار دی‌اکسید‌کربن برای بهبود جذب دی‌اکسید‌کربن و تولید مواد شیمیایی در میکروارگانیسم‌های اتوتروف استفاده شده است چرا که سوبسترا و انرژی اضافی می‌تواند از مواد آلی تأمین شود.

تقویت جذب دی‌اکسید‌کربن در میکروارگانیسم‌های هتروتروف

دی‌اکسید‌کربن طی واکنش‌های کربوکسیلاسیون می‌تواند در مسیرهای متابولیکی جذب هتروتروف‌ها بشود که در این روش از مواد آلی به‌عنوان منبع ماده و انرژی برای جذب دی‌اکسید‌کربن استفاده می‌شود. بنابراین بهبود جذب دی‌اکسید‌کربن توسط میکروارگانیسم‌های هتروتروف شامل بهبود مستقیم کربوکسیلاسیون طبیعی، تولید فرایندهای جانبی جذب دی‌اکسید‌کربن، مهندسی ژنتیک هتروتروف‌ها جهت استفاده از دی‌اکسید‌کربن به‌عنوان تنها منبع کربن می‌شود (شکل 3).

راهبردهای تقویت جذب دی‌اکسیدکربن در هتروتروف‌ها

استراتژی‌های تقویت جذب کربن‌دی‌اکسید در هتروتروف‌ها

بهبود کربوکسیلاسیون طبیعی:

میکروارگانیسم‌ها واکنش‌های کربوکسیلاسیون طبیعی متفاوتی دارند که از جمله آن‌ها می‌توان به کربوکسیلاسیون فسفوانول‌پیروات و کربوکسیلاسیون کروتونیل اشاره کرد. بنابراین توسعه کربوکسیلاسیون طبیعی توسط افزایش فعالیت آنزیم کربوکسیلاز و افزایش دسترسی به دی‌اکسیدکربن درون‌سلولی روشی مناسب برای تقویت جذب دی‌اکسید‌کربن توسط هتروتروف‌ها است. افزودن بیش از اندازه کربوکسیلاز مهم‌ترین راهبرد برای افزایش شار کربن در واکنش‌های کربوکسیلاسیون است.

البته کربوکسیلاسیون بهتر تنها با افزایش فعالیت کربوکسیلاز به‌دست نمی‌آید چرا که دی‌اکسید‌کربن درون‌سلولی محدود است. بنابراین راهبرد دیگر برای بهبود کربوکسیلاسیون طبیعی افزایش مقدار دی‌اکسید‌کربن درون‌سلولی است که این امر از طریق استفاده از حامل‌های دی‌اکسید‌کربن، کربنیک انهیدراز یا کربوکسیسام محقق می‌شود. هم‌اکنون حامل‌های دی‌اکسید‌کربن برای بهبود فرایند کربوکسیلاسیون بیشتر استفاده می‌شوند.

بخوانید  کشاورزی بر روی مریخ: آینده‌ی بیولوژی سنتتیک در خارج زمین

تولید فرایندهای جانبی جذب دی‌اکسید‌کربن

استفاده از فرایندهای جانبی در میکروارگانیسم‌های هتروتروف می‌تواند راهکار مناسبی برای جذب دی‌اکسید‌کربن باشد. این عمل توسط انتقال از اتوتروف‌ها یا تولید مسیرهای مصنوعی انجام‌پذیر است. بر اساس روش‌های مصنوعی مختلف، بهترین کنارگذر در هتروتروف‌ها با استفاده از دو آنزیم مهم چرخه CBB به‌دست می‌آید بر خلاف اینکه از مسیرهای دیگر انرژی بیشتری لازم دارد.

مسیرهای مصنوعی جذب دی‌اکسید‌کربن با توجه به 4 اصل مهم طراحی می‌شوند. اول اینکه باید از نظر ترمودینامیکی و سینتیکی قابل قبول باشند. با تعداد کمی از آنزیم‌ها انجام شود. از متابولیسم سلولی مستقل باشد اما با آن ارتباط داشته باشد و تحت هر دو شرایط هوازی و بی‌هوازی قابل اجرا باشد. مثال مناسب این مفهوم، مسیر فرملاز است که دی‌اکسید‌کربن را به فرمات، کوآنزیم فرمال، فرمالدئید، دی‌هیدروکسی‌استون و دی‌هیدروکسی‌استون‌فسفات تبدیل می‌کند و بنابراین به چرخه گلیکولیز مربوط می‌شود.

نسبت فسفر به اکسیژن پایین و از بین رفتن آدنوزین‌تری‌فسفات نیز فاکتورهای مهمی هستند که باعث می‌شوند انرژی متابولیسم سلولی برای جذب دی‌اکسید‌کربن پایین بیاید.

تبدیل هتروتروف به اتوتروف

یکی از روش‌های دیگر بهبود جذب دی‌اکسید‌کربن، دستکاری ژنتیکی هتروتروف‌ها است تا بتوانند مانند اتوتروف‌ها رفتار کنند. برای رسیدن به این هدف، اصلی‌ترین چالش ایجاد مسیرهای کامل جذب دی‌اکسید‌کربن و تولید انرژی در میکروارگانیسم‌های هتروتروف است. مسیرهای کامل جذب دی‌اکسید‌کربن از این جهت ضروری است که هنگامی که دی‌اکسید‌کربن به‌عنوان تنها منبع کربن وجود دارد، سوبسترای لازم جهت مصرف هتروتروف‌ها را فراهم می‌آورد.

تلاش‌های اخیر در این حوزه مربوط به استفاده از چرخه CBB و راه‌اندازی مسیر گلایسین در اشریشیاکلی است. از میان این روش‌ها، استفاده از چرخه کامل CBB در اشریشیاکلی بیشترین موفقیت را داشت چرا که تمام مواد حد واسط این چرخه با استفاده از دی‌اکسید‌کربن قابلیت تولید مجدد را دارند و اشریشیاکلی دستکاری‌شده به‌صورت نیمه اتوتروف در آمد.

البته این میکروارگانیسم دست‌کاری‌شده هم‌چنان برای تأمین انرژی به افزودن پیروات بیشتر برای تولید ای‌تی‌پی و ان‌ای‌دی‌اچ نیاز دارد. بنابراین هم‌چنان استفاده از سیستم انرژی بهینه ضروری است که از آن‌ها می‌توان به سیستم تولید نور، راه‌اندازی یک مدار الکترونی و یا سیستم مصرف هیدروژن اشاره کرد. در این میان سیستم تولید نور از کاربرد بیشتری برخوردار است. هنگامی که یک اتوتروف مصنوعی به‌طور کامل رشد یافت، جذب بیولوژیکی دی‌اکسید‌کربن با سرعت بیشتری انجام می‌شود زیرا ابزارهای ژنتیکی برای میکروارگانیسم‌های هتروتروف بیش از سایر اتوتروف‌های طبیعی وجود دارد.

کاهش آزادسازی دی‌اکسید‌کربن از میکروارگانیسم‌ها

طبق سه روش آزادسازی دی‌اکسید‌کربن سلولی، راهبردهای کاهش آزادسازی دی‌اکسید‌کربن به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شود که عبارت‌اند از تعریف مجدد مسیرهای بیولوژیکی، بهبود موازنه اکسایش کاهش و کاهش تولید آدنوزین‌تری‌فسفات تنفسی که در ادامه به هر یک از آن‌ها پرداخته می‌شود. (شکل4)

تعریف مجدد مسیرهای بیولوژیکی

در شبکه پیچیده متابولیسم سلولی، یک متابولیت معمولاً به چندین مسیرهای متابولیسم مربوط می‌شود که باعث می‌شود مسیرهای متابولیسم بسیار انعطاف‌پذیر باشند. این انعطاف‌پذیری باعث می‌شود که بتوانیم از روش‌های مختلف که شامل واکنش‌های دیکربوکسیلاسیون نمی‌شود صرف‌نظر کنیم (شکل 4A). بنابراین تعریف مجدد مسیرهای بیولوژیکی می‌تواند به میزان قابل توجهی از آزادسازی دی‌اکسید‌کربن کم کند. به‌طور مثال از مسیرهای فسفوکتولاز، ترانس‌کتولاز و بتااکسیداتیو معکوس برای کاهش آزادسازی دی‌اکسید‌کربن استفاده شده است و از میان این مسیرها، مسیر فسفوکتولاز به‌طور گسترده استفاده در تخمیر میکربی شده است تا واکنش دیکربوکسیلاسیون پیروات و تبدیل آن به استیل کوآنزیم انجام نشود و بازده تولید استیل کوآنزیم از گلوکوز از 2 به 3 مول‌برمول افزایش یابد.

علاوه بر این پنج مسیر برای کاهش جذب دی‌اکسید‌کربن طراحی شده است: مسیر غیراکسیداتیو گلیکولیتیک‌ (NOG)، مسیر ای‌پی‌بیفیدو، گلی‌اکسیلات معکوس، مسیر مالیل-کوآ-گلیسرات و مسیر تنفس نوری 3-هیدروکسی‌پروپیونات که در جدول 1 آمده است. درمیان این روش‌ها مسیر NOG به‌طور گسترده‌تری در کاهش آزادسازی دی‌اکسید‌کربن استفاده شده است. مسیر NOG هنگامی که با مسیر دیگری تلفیق شود که آدنوزین‌تری‌فسفات بیشتری تولید می‌کند، بازدهی بهتری دارد.

راهبردهای کاهش آزادسازی دی‌اکسیدکربن

استراتژی‌های کاهش آزادسازی کربن‌دی‌اکسید

بهبود موازنه اکسایش کاهش برای کاهش آزادسازی دی‌اکسید‌کربن

با استفاده از انتخاب سوبسترای مناسب، تولید همزمان محصول و کوفاکتورهای مهندسی، موازنه اکسایش کاهش بهبود یافته و در نتیجه میزان آزادسازی دی‌اکسید‌کربن کاهش می‌یابد (شکل 4B). از آنجا که حالت اکسیداسیون هر سوبسترا متفاوت است، استفاده از سوبستراهای مختلف برای تولید یک محصول باعث اثرات منفی بر تولید ان‌ای‌دی‌پی‌اچ می‌شود. بنابراین انتخاب سوبستراهای مناسب می‌تواند باعث بهبود واکنش‌های اکسایش کاهش شود و از این طریق بازده تولید محصول افزایش می‌یابد. به‌طور مثال، جایگزینی گلوکوز با گلیسرول طی فرایند تولید ایزوبوتانول، بازده تئوری تولید کربن را از 66 به 77 درصد رساند چرا که حالت اکسیداسیون گلیسرول نسبت به گلوکوز به ایزوپروپانول نزدیک‌تر است.

علاوه بر این، موازنه اکسایش کاهش می‌تواند با تبدیل یک سوبسترا به دو محصول بهبود یابد. یک روش از طریق تولید بیش از حد NADPH و روش دیگر تولید بیش از اندازه NADP+ است. از این راهبرد برای تولید همزمان 1و3-پروپان‌دی‌ال و گلوتامات، 3-هیدروکسی‌پروپیونیک اسید و 1و3-پروپان‌دی‌ال، پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات و هیدروژن استفاده می‌شود.

مهندسی کوفاکتورها نیزهنگامی که دو راهبرد فوق کاربردی نباشند، می‌تواند استفاده شود. مهندسی کوفاکتور معمولاً شامل اصلاح انتخاب‌پذیری کوفاکتورها و تنظیم سیستم تولید کوفاکتورها است. هم‌چنین مهندسی مسیر انتنر-دودوروف می‌تواند NADPH تولید کند و باعث کاهش ازدست‌رفتن کربن در مسیر پنتوزفسفات شود.

بخوانید  نقش هوش مصنوعی در نوآوری داروسازی
مسیرآنزیم‌های اصلیواکنش‌های اصلیدیکربوکسیلاسیون کنارگذرارزیابی
PktفسفوکتولازF6P=> E4P + AcP
X5P=>G3P+Acp
PYR=> AcCoA + CO2بازده صددرصد تبدیل گلوکوز به استیل کوآ
Tktترانس کتولازF6P + G3P => E4P6PGC => Ru5P + CO2در اشریشیاکلی بازده دی‌اکسیدکربن تا 86 درصد کاهش یافت
rBeta-Oتیولازز2AcCoA=>AcAcCoAMaCoA+AcCoA=>KeACP + CO2بازده تولید الکل‌های نرمال 33 درصد افزایش یافت
NOGفسفوکتولاز، فرکتوز-او6-بی‌فسفاتازF6P+G3P=>E4P+Ru5P
FBP=>F6P
PYR=>AcCoA + CO2سرعت انتشار دی‌اکسیدکربن در اشریشیاکلی از 21 به 5.2 مول‌برساعت رسید.
rGCمالات تیوکیناز، مالیل-کوآ لیزاز، ای‌تی‌پی سیترات لیازMAL=> MaCoA
MaCoA=> GLY + AcCoA
CIT => OAA + AcCoA
PYR => AcCoA + CO2بازده صددرصدی تبدیل کربوکسیلات 5 کربنه به استیل کوآ
MCGمالات تیوکیناز، مالیل کوا لیازMAL => MaCoA
MaCoA => Gly + AcCoA
GLY => TSD + CO2بازده صددرصدی تبدیل کربن در تنفس نوری
3-HPBاستیل کوآ کربوکسیلازAcCoA + CO2=> MalCoAGLY => TSD + CO2بازده صددرصدی تبدیل کربن در تنفس نوری

جدول 1- مقایسه مسیرهای متابولیک مختلف برای کاهش آزادسازی دی‌اکسیدکربن

کاهش تولید آدنوزین‌تری‌فسفات تنفسی برای کاهش آزادسازی دی‌اکسید‌کربن

کاهش تولید آدنوزین‌تری‌فسفات برای کاهش آزادسازی دی‌اکسید‌کربن روش مناسبی است. این فرایند از طریق تخمیر بی‌هوازی و استفاده از سیستم خارجی تولید آدنوزین‌تری‌فسفات امکان‌پذیر است. تخمیر بی‌هوازی از مصرف اکسیژن برای الکترون‌گیرنده نهایی جلوگیری می‌کند و با غیرفعال‌سازی چرخه تنفسی مانع از اکسیداسیون کامل سوبسترا به دی‌اکسید‌کربن می‌شود. از این راهبرد برای تولید بسیاری از مواد شیمیایی مانند اتانول، سوکسینات و ملات با بازده بیشتر استفاده شده است. بازده تولید ملات از گلوکوز در شرایط هوازی 0.85 مول‌برمول بوده است اما در شرایط بی‌هوازی این مقدار 1.46 می‌باشد.

البته تمام مواد شیمیایی برای تولید در شرایط بی‌هوازی مناسب نیستند چرا که ممکن است نیاز زیادی به آدنوزین‌تری‌فسفات طی فراوری محصول باشد. در این موارد، موازنه تولید آدنوزین‌تری‌فسفات تنفسی باید توسط کمبود اکسیژن لحاظ شود.

علاوه بر این، استفاده از یک منبع خارجی آدنوزین‌تری‌فسفات برای کاهش تولید آدنوزین‌تری‌فسفات تنفسی راهبرد مناسبی است. این سیستم‌های تولید انرژی، مانند پروتئورودوپسین و سیستم مصرف هیدروژن، برای تولید اتوتروف‌های مصنوعی می‌توانند کارگشا باشند تا نیاز به آدنوزین‌تری‌فسفات تنفسی کاهش یابد.

نتیجه‌گیری

جداسازی بیولوژیکی دی‌اکسید‌کربن رویکرد مناسبی برای بستن چرخه کربن زمین است. با استفاده از زیست‌فناوری می‌توان بازده جذب دی‌اکسید‌کربن را در میکروارگانیسم‌های اتوتروف و هتروتروف افزایش داد و مشکل آزادسازی بیولوژیکی دی‌اکسید‌کربن می‌تواند تا حدودی حل شود. توسعه جداسازی کربن از روش‌های بیولوژیکی می‌تواند باعث بهبود تولید محصولات دیگر نیز بشود.

برای بهبود بیشتر جذب بیولوژیکی دی‌اکسید‌کربن، تلاش‌های کافی باید در زمینه‌های ذیل صورت گیرد: کشف گونه‌های اتوتروف جدید با قابلیت جذب دی‌اکسید‌کربن، رسیدن به ابزارهای ژنتیکی بهتر برای سلول‌های اتوتروف، طراحی مسیرهای تولید مواد شیمیایی که باعث کاهش نیاز به آدنوزین‌تری‌فسفات می‌شود، تلفیق مسیرهای مناسب کربن مانند NOG با مسیرهای آزاد‌سازی دی‌اکسید‌کربن، بهبود سیستم مبادله الکترون از برون‌سلولی به درون‌سلولی، بهبود شرایط فرایندهای بیولوژیکی مانند شدت نور و محدودیت انتقال جرم. (جدول 2)

گونههدفاستراتژی‌های کنونیاستراتژی‌های محتمل در آینده
میکروارگانیسم‌های اتوتروفبهبود مسیرهای جذب دی‌اکسیدکربنتنظیم آنزیم‌های بهبوددهنده جذب دی‌اکسیدکربن ، بهبود خواص کاتالیستی کربوکسیلاز، درست‌کردن مسیرهای سنتزی جذب دی‌اکسیدکربنکشف گونه‌های جدید با قابلیت جذب دی‌اکسیدکربن ، تولید ابزارهای نوین مهندسی ژنتیک، یافتن ویژگی‌های بیشتر میکروارگانیسم‌های اتوتروف
میکروارگانیسم‌های اتوتروفبهبود سیستم‌های تولید انرژیبهینه‌سازی سیستم‌های نوری طبیعی، ساختن سیستم‌های نوری مصنوعی، بهبود سیستم‌هایی که از برق استفاده می‌کنند.بهبود فوتوبیوراکتورهایی که مشکل کمبود نور را جبران کنند، طراحی سیستم‌های نوری که از نانومواد استفاده می‌شود، کشف روش‌های جدید جذب دی‌اکسیدکربن که از کاتد الکترون می‌گیرد.
میکروارگانیسم‌های اتوتروفتنظیم توزیع شار کربنبهبود مسیرهای تولید محصول، مهندسی فاکتورهای تولیدمثل، تهیه منابع کربن آلییافتن مسیرهای بیولوژیکی که قابلیت توازن کوفاکتورهای سلول را دارند، یافتن فاکتورهای تولید‌مثل دیگر، بهبود خواص میکروارگانیسم‌های اتوتروف به‌طوری که بتوانند کربن آلی را مصرف کنند.
میکروارگانیسم‌های هتروتروفبهبود کربوکسیلاسیون طبیعیافزایش فعالیت کربوکسیلاز، افزایش مقدار دی‌اکسیدکربن درون سلولیبه‌دست‌ آوردن کربوکسیلاز بهتر با کامپیوتر، یافتن حامل‌های دیگر دی‌اکسیدکربن ، ساختن میکروارگانیسم‌های کاربردی‌تر در جذب دی‌اکسیدکربن
میکروارگانیسم‌های هتروتروفتولید فرایندهای مصنوعی جذب دی‌اکسیدکربنتولید فرایندهای مصنوعی جذب دی‌اکسیدکربن با استفاده از اتوتروف‌ها، تولید مسیرهای مصنوعیمتابولیسم گازهای گلخانه‌ای دیگر مانند متان، افزایش نسبت فسفات به اکسیژن در سنتز آدنوزین‌تری‌فسفات، تولید مسیرهای متابولیسم که به آدنوزین‌تری‌فسفات کمتری نیاز دارد
میکروارگانیسم‌های هتروتروفتبدیل هتروتروف به اتوتروفایجاد مسیرهای کامل جذب دی‌اکسیدکربن ، تجهیز سیستم‌های تولید انرژیمسأله تخریب غشاء و بار متابولیک باید حل شود، آنزیم‌های مسیرها برای ایجاد کانال‌های متابولیسم می‌توانند استفاده شوند، مکانیسم انتقال الکترون از خارج سلول به درون سلول باید بیشتر مشخص شود.

جدول 2- راهبردهای کنونی و آینده در جذب بیولوژیکی دی‌اکسیدکربن

این مطلب در ۱۴ نوامبر ۲۰۱۸ درمجله Trends in Biotechnology منتشر شده است.

☑ نویسنده: Guipeng Hu

منبع
Cell
برچسب‌ها
نمایش بیشتر

علی دبستانی

با سلام و احترام بنده از دانشجویان کارشناسی مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی شریف هستم و علاقمند به فعالیت و تحقیق در حوزه بیوتکنولوژی محیط‌زیست و بیوریفاینری، فعالیت من در زیست‌فن مربوط به عضویت در شورای تیم پساب و پیشبرد پروژه های این گروه و هم‌چنین فعالیت خبری و ژورنالیستی در سایت زیست فن می‌باشد.

نوشته‌های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

52 − چهـل پنـج =

دکمه بازگشت به بالا
EnglishIran
بستن