مهندسی کاتالیست‌های زیستی برای کمک به محیط زیست

زیست‌شناسی مصنوعی و مهندسی پروتئین، امکان تولید کاتالیست‌های زیستی با کاربردهای فراوان زیست‌محیطی را فراهم کرده است. استفاده از کاتالیست‌های زیستی و جاذب‌های زیستی از جمله روش‌های مناسب برای احیاء محیط زیست و بازیابی منابع از پسماندها محسوب می‌شوند.

کاتالیست‌های زیستی برای حل چالش‌های زیست‌محیطی

برای حفظ پایداری زیست‌محیطی، توسعه فناوری‌های جدید مثل کاتالیست‌های زیستی برای مقابله با آلودگی‌ها یک نیاز حیاتی محسوب می‌شود. پژوهش‌های اخیر، وجود انواع آلودگی‌های خطرناک را در طبیعت گزارش کرده‌اند. برخی از این مواد با روش‌های مرسوم تصفیه از بین نمی‌روند و حضور مقادیر ناچیز آن‌ها در طبیعت برای سلامتی انسان و زیست‌بوم خطرناک است. با این حال، با بازیابی پسماندها در کارخانه‌های مخصوص، می‌توان زباله‌ها را به یک منبع برای رفع برخی نیاز‌ها تبدیل کرد.

به کمک زیست‌شناسی مصنوعی و مهندسی پروتئین امکان تولید مواد فعال زیستی و کاتالیست‌های زیستی ایجاد شده است که می‌توان از آن‌ها در صنایع زیستی و دارویی استفاده کرد. در چند سال اخیر استفاده از این فناری‌ها برای حفظ محیط زیست مطرح شده است. به خصوص اینکه، برخی از پژوهش‌ها، کاتالیست‌های زیستی را توسعه داده‌اند که آلودگی‌های سرسخت آلی را تجزیه می‌کند. علاوه بر این، جاذب‌های زیستی گزینه مناسبی برای حذف و بازیابی فلزات از جریان‌های پسماند هستند.

مهندسی کاتالیست‌های زیستی برای تصفیه آلاینده‌ها

فرآیندهای شامل کاتالیست‌های زیستی در دما و فشار محیطی عمل می‌کنند. کنترل این فرآیندها ضمن کاهش نیاز به انرژی و تولید کمتر مواد جانبی سمی آسان‌تر است. در مواردی که راه حل مؤثر شیمیایی برای رفع یک آلودگی وجود ندارد، کاتالیست‌های زیستی بهترین پاسخ برای رفع مشکل هستند. پیشرفت فناوری کاتالیست‌های زیستی و آنزیم‌ها در حوزه‌های دارویی، زیست‌شیمی و سوخت‌زیستی؛ این فناوری را برای حل چالش‌های زیست‌محیطی پیشنهاد کرد. از بین شش طبقه‌ آنزیم، آنزیم‌های نوع اکسیدوردوکتاز و هیدرولاز بیشترین استفاده را برای تخریب مواد سمی از طبیعت دارند.

تولید و اصلاح آنزیم‌ها به عنوان کاتالیست‌های زیستی

توانایی بیان پروتئین‌های نوترکیب در میزبان‌های مختلف، تولید آنزیم‌های دلخواه را به عنوان کاتالیست‌های زیستی ساده‌تر کرده است. در روش‌های سنتی تولید و جداسازی یک آنزیم خاص از یک میکروارگانیسم، هزینه زیادی ایجاد کرده و نمی‌تواند به نیاز صنعتی پاسخ دهد. در مقابل، فناوری DNA نوترکیب، بیان و تولید یک آنزیم خاص را از یک میزبان در مقیاس صنعتی ممکن می‌سازد. علاوه بر این، با اصلاح ژنتیکی می‌توان پایداری، فعالیت و انتخاب‌پذیری آنزیم را بهبود بخشید.

برخی پژوهش‌ها تولید آنزیم لاکاز نوترکیب را در میزبان‌های قارچی، باکتریایی و مخمری گزارش کرده‌اند. علاوه بر این، آنزیم پروکسیداز از منبع تُرُب کوهی با موفقیت در مخمر ساکارومایسس سرویزیه، پیچیا پاستوریز و کریپتوکوکوس بیان شده است. این پروکسیداز نوترکیب می‌تواند رنگ‌های مصنوعی و استروژن‌ها را تخریب کند. آنزیم‌های نوترکیب لیپاز، کربوکسیل استراز و کوتیناز از جمله کاتالیست‌های زیستی هستند که در زمینه تصفیه مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

برای تولید کاتالیست‌های زیستی مناسب از روش‌های مهندسی پروتئین شامل روش‌های طراحی منطقی، روش‌های تصادفی و تکامل مستقیم می‌توان استفاده کرد. طراحی منطقی، روشی سنتی است که در آن ساختار و ساز و کار پروتئین هدف مشخص است. به عنوان نمونه، در پژوهشی با استفاده از جهش‌زایی هدایت‌یافته مکانی، فعالیت آنزیم پلی فنول اکسیداز قارچی بهبود داده شده و اختصاصی بودن آن برای تخریب کلروفنول افزایش یافت.

تکامل مستقیم روشی است که در آن بدون داشتن اطلاعات کامل از ساختار یا ساز و کار یک آنزیم، می‌توان فعالیت، اختصاصی بودن و انتخاب‌پذیری آن را تغییر داد. در واقع، این روش تقلیدی از نظریه داروین است که بدون چالش‌های طراحی، در آزمایشگاه برای اصلاح و بهبود کاتالیست‌های زیستی از آن استفاده می‌شود. از این روش برای تکامل آنزیم‌های میکروبی مرتبط با تخریب آفت‌کش‌ها استفاده شد. با این کار، علاوه بر بهبود بازدهی تخریب، انتخاب‌‌پذیری این کاتالیست‌های زیستی برای تخریب طیف گسترده‌تری از ایزومرهای مختلف این نوع آلاینده‌ها افزایش یافت. اخیراً یک روش غربالگری با ظرفیت فوق‌العاده، از طریق قرار دادن آنزیم در دانه‌های ژلی زیست‌تقلیدی (biomimetic) توسعه یافته است که در آن با تکامل مستقیم روی آنزیم فسفوتری استراز، فعالیت این کاتالیست‌های زیستی برای تخریب سموم آفت‌کشی تا 20 برابر افزایش می‌یابد.

تثبیت کاتالیست‌های زیستی برای تخریب آلاینده‌ها

در استفاده از کاتالیست‌های زیستی، حفظ پایداری، استفاده مجدد و بازیافت آنزیم برای توجیه اقتصادی این روش‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. بنابراین، تثبیت کاتالیست‌های زیستی به عنوان یک روش اقتصادی برای استفاده مجدد از آنزیم‌ها مطرح می‌شود. از جمله روش‌های تثبیت آنزیم می‌توان به این موارد اشاره کرد: الف) تثبیت کاتالیست‌های زیستی از طریق جذب سطحی یا پیوند کوالانسی روی یک ماتریس حامل (مثل دانه‌های متخلخل شیشه، کامپوزیت آلژینات- کربن، ژل‌های آلی و ذرات نانو)، ب) حبس کردن یا کپسول کردن کاتالیست‌های زیستی در ژل، فیبر یا غشاهای نیمه تراوا، ج) ایجاد توده‌ کاتالیست‌های زیستی از طریق پیوند عرضی.

تثبیت کاتالیست‌های زیستی روی پایه جامد باعث افزایش پایداری و بازیابی نسبت به حالت آزاد آن می‌شود. با این وجود، تثبیت کاتالیست‌های زیستی با محدودیت‌هایی مواجه است؛ از جمله، تخریب آنزیم در حضور مواد شیمیایی که برای پیوند کوالانسی یا پیوند عرضی استفاده می‌شود، محدودیت انتقال جرم در فرآیند کپسوله کردن و هزینه‌های جداسازی و آماده سازی برای تثبیت.

انتخاب پایه ماتریس مناسب برای تثبیت کاتالیست‌های زیستی بسیار اهمیت دارد. پایه مناسب باید غیر سمی، محکم، با ظرفیت بالا برای تثبیت آنزیم، قابلیت احیاء دوباره و به لحاظ اقتصادی در دسترس باشد. در سال‌های اخیر مواد جدید و ابتکاری مثل غشاهای فعال، کیسه‌های سیلیسی و مواد نانو (مثل ذرات نانو، رشته‌های نانو، کامپوزیت نانو و لوله‌های نانو) برای تثبیت کاتالیست‌های زیستی توسعه یافته است. به عنوان نمونه، با استفاده از هسته‌های فوق پارامغناطیس در نانوذرات به راحتی می‌توان پایه‌های تثبیت را با جداسازی مغناطیسی جدا کرد. استفاده از پایه‌ تیتانیوم اکسید، مورد دیگری است که می‌تواند باعث ایجاد اثر هم‌افزایی روی فعالیت کاتالیست‌های زیستی شده و آلاینده‌های سرسخت را تجزیه کند.

کاتالیست‌های زیستی روی سطح سلول

ایجاد کاتالیست‌های زیستی روی سطح سلول روش جدیدی است که در آن آنزیم مورد نظر با استفاده زیست‌شناسی مصنوعی روی سطح سلول میزبان بیان و جایگذاری می‌شود. این روش تأثیر به سزایی روی بهبود فعالیت و پایداری کاتالیست‌های زیستی دارد. از جمله مزایای این روش می‌توان به بیان و تثبیت آنزیم روی سلول در یک مرحله، حفظ فعالیت نسبتاً کامل آنزیم و تولید مجدد کاتالیست با کشت سلول اشاره کرد.­ سلول‌هایی که بیشترین کاربرد را در این روش دارند، شامل اشرشیا کولی، سودوموناس پوتیدا و ساکارومایسس سرویزیه هستند. تا کنون، آنزیم‌هایی مثل دی ایزوپروپیل فلوروفسفاتاز، لاکاز، نیتریلاز و تری فنیل متان ردوکتاز با موفقیت روی سطح این سلول‌ها قرار گرفته‌اند و قادرند ترکیباتی مثل کلرپیریفوس، علف‌کش‌ها، رنگ‌های صنعتی، مواد دارویی و برخی سموم دیگر را به طور مؤثر تخریب کنند.

برای بهبود این روش و افزایش کارایی و بازیابی کاتالیست‌های زیستی، پژوهش‌هایی پیرامون تثبیت سلول‌های عامل‌دار روی پایه‌های جامد صورت گرفته است. با کمک فناوری‌هایی مثل الکتروریسی (electrospinning) و چاپ زیستی می‌توان کاتالیست‌های زیستی تولید کرد که سلول‌های عامل‌دار را در یک محیط متخلخل تثبیت می‌کند. در روش الکتروریسی با ایجاد یک فواره‌ باردار از محلول پلیمری، رشته‌های نانو با ضخامت چند ده نانومتر تا چند میکرومتر تولید می‌شود. ماهیت متخلخل رشته‌های تولید شده با الکتروریسی، تثبیت سلول‌ها و خواص انتقال جرم را بهبود می‌بخشد. تثبیت پروتئین فلورسنت سبز روی سطح مخمر و حفظ ساختار و دسترسی به این پروتئین، نمونه‌ موفقیت آمیز استفاده از رشته‌های الکتروریسی برای تثبیت است.

چاپ جوهر افشان، فناوری دیگری است که برای تثبیت کاتالیست‌های زیستی استفاده می‌شود. این فناوری می‌تواند قطره‌های با حجم یک پیکولیتر را با دقت میکرومتری کنار هم قرار دهد. غشاء حاوی کاتالیست‌های زیستی که با این روش تولید شده است، می‌تواند بیسفنول‌آ و استامینوفن را با بازدهی مناسب تجزیه کند.

مهندسی جاذب‌ها و کاتالیست‌های زیستی برای حذف فلزات

جذب زیستی روشی است که در آن کاتالیست‌های زیستی؛ فلزات را از طریق جذب، جذب سطحی، تبادل یون، ایجاد کمپلکس سطحی و تجمع از فاز آبی جدا می‌کنند. هر ماده زیستی که یک ماده شیمیایی را با ساختار سلولی خود پیوند دهد، یک جاذب زیستی تلقی می‌شود؛ مثل سلول‌های میکروبی، گیاهی، حیوانی یا محصولات مشتق شده از آن‌ها. در بین انواع کاتالیست‌های زیستی موجود، سلول‌های باکتریایی به خاطر کشت آسان و وجود انواع گروه‌های عاملی روی دیواره و سطح سلولی آن‌ها، بهترین گزینه‌ اقتصادی و مؤثر برای جذب فلزات هستند.

سلول طبیعی میکروبی در حضور انواع مختلف یون‌ها، به خاطر خواص پایین اختصاصی بودن برای یک ماده شیمیایی خاص (مثل فلزات سنگین)، عملکرد ضعیفی برای جذب از خود نشان می‌دهند. علاوه بر این، تعداد محدود گروه‌های عاملی روی سطح این سلول‌ها، نقطه ضعف دیگری برای استفاده از سلول میکروبی طبیعی به عنوان کاتالیست‌های زیستی به شمار می‌رود. بنابراین، پژوهشگران با دست‌کاری‌های ژنتیکی به دنبال ایجاد جاذب‌های زیستی با کارایی و ظرفیت بیشتر از میکروب‌ها هستند.

ظرفیت و انتخاب‌پذیری کاتالیست‌های زیستی سلولی را می‌توان با اضافه کردن بازوهای پروتئینی یا پپتیدی روی سلول بهبود داد. در سلول‌ها به صورت طبیعی سامانه‌هایی وجود دارد که جذب، انتقال، ذخیره‌سازی و استخراج فلزات را کنترل می‌کند. این وظیفه بر عهده برخی درشت‌مولکول‌ها مثل پروتئین‌های متالوتیونین و فیتوکلاتین قرار دارد. اشرشیا کولی و ساکارومایسس سرویزیه، مهم‌ترین میکروارگانیسم‌هایی هستند که با استفاده از مهندسی ژنتیک، برای جذب بیشتر فلزات در سیتوپلاسم یا دیواره سلولی مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

بیان پروتئین‌های جاذب فلزات، می‌تواند به صورت درون سلولی و در سیتوپلاسم یا برون سلولی و روی دیواره‌ سلول انجام شود. بیان برون سلولی، بر خلاف بیان درون سلولی، علاوه بر عدم تداخل در سوخت و ساز سلول، بعد از جذب فلزات می‌توان با جداسازی فلزات از سطح، دوباره از آن به عنوان کاتالیست زیستی استفاده کرد. در ادامه پیشرفت‌های مهندسی میکروبی برای رفع و بازیابی فلزات سمی یا ارزشمند بررسی می‌شود.

استفاده از جاذب و کاتالیست‌های زیستی برای رفع فلزات خطرناک

استفاده از کاتالیست‌های زیستی برای جذب فلزات خطرناک مثل فلزات سنگین و پرتوزا، در پژوهش‌های اخیر مورد بررسی قرار گرفته است. پروتئین‌های‌های متالوتیونین و فیتوکلاتین و دیگر پروتئین‌های تنظیمی با فلز، به شکل کاربردی در میزبان‌های میکروبی بیان شده است و دفع فلزات مختلف را بهبود داده‌اند. به عنوان مثال، بیان پروتئین‌های متالوتیونین از چند نوع گیاه به درون غشاء پلاسمایی ساکارومایسس سرویزیه، سبب بهبود جذب فلزات سنگین (یون‌های مس، روی، منگنز، نیکل، کبالت و کادمیوم) بین 12 الی 147 برابر شده است.

پروتئین‌های متالوتیونین انتخاب‌پذیری ضعیفی برای جذب فلزات دارند. بنابراین، با بیان هم‌زمان یک انتقال‌دهنده فلزی خاص (مثل ژن انتقال فلز nixA برای نیکل، merT و merP برای جیوه و glpF برای آرسنیک) به سلول میزبان، می‌توان جذب یک فلز خاص را با کاتالیست‌های زیستی مورد نظر افزایش داد.

بیان بیش از حد پروتئین‌های فیتوکلاتین در سلول میزبان، روش دیگری برای افزایش کارایی کاتالیست‌های زیستی برای رفع فلزات سنگین است. پژوهش‌های مختلف، نتایج موفقیت‌آمیزی درباره بهبود ظرفیت جذب و انتخاب‌پذیری بعد از بیان فیتوکلاتین‌ها در میزبان‌های میکروبی گزارش کرده‌اند. معمولاً بیان فیتوکلاتین‌ها با توجه به ظرفیت جذب بالاتر نسبت به متالوتیونین، برای بهبود کاتالیست‌های زیستی سلولی ترجیح داده می‌شود. علاوه‌ بر این، می‌توان فیتوکلاتین‌های مصنوعی با ظرفیت بالا برای جذب فلزات خاص (مثل کادمیوم) تولید کرد.

برای افزایش خواص اختصاصی بودن کاتالیست‌های زیستی، می‌توان از بیان پروتئین‌های تنظیمی با فلز که ساختار منحصر به فردی برای جذب یک فلز خاص دارند، در سلول‌های میزبان میکروبی استفاده کرد. به عنوان نمونه، بیان یک دومین (domain) پروتئینی در اشرشیا کولی برای جذب سرب، باعث افزایش جذب اختصاصی سرب در حضور کادمیوم و روی می‌شود. مشابه این کار برای جذب اختصاصی جیوه در ساکارومایسس سرویزیه در حضور کادمیوم و مس گزارش شده است.

از پروتئین‌های تنظیمی با فلز می‌توان برای جذب مواد پرتوزا نیز استفاده کرد. جذب اختصاصی اورانیل روی سطح مخمر اصلاح شده در حضور دیگر یون‌ها یکی از این نمونه‌ها است. علاوه بر این، از پروتئین یا پپتید‌های دیگری مثل پروتئین‌های انتقال‌دهنده فلز، می‌توان برای رفع فلزات پرتوزا استفاده کرد. بیان بیش از حد پروتئین انتقال‌دهنده نیکل/ کبالت در میزبان باکتریایی داینوکوکوس رادیودورانس، سبب رفع اختصاصی کبالت پرتوزا از محلول حاوی آهن (II) و کروم (III) می‌شود.

کاتالیست‌های زیستی برای بازیابی فلزات ارزشمند و کم‌یاب

استفاده از کاتالیست‌های زیستی برای بازیابی فلزات ارزشمند و کم‌یاب پاسخ مناسبی برای نیاز روز افزون به این مواد است. چالش اساسی برای جذب زیستی فلزات ارزشمند، توانایی جذب اختصاصی در حضور دیگر یون‌های مزاحم برای استخراج با خلوص بالا است.

گزارش‌هایی درباره جذب اختصاصی طلا، نقره و پلاتین روی سلول‌های میکروبی مهندسی شده وجو دارد. بیان شپرون طلا از سالمونلا روی سطح اشرشیا کولی، باعث جذب اختصاصی طلا از بین یون‌های مس (II)، کادمیوم، روی و نیکل (III) می‌شود. بعد از آن می‌توان طلای جذب شده را با استفاده از آنزیم پاپایین و شکستن باقیمانده سیستئین از شپرون طلا، بازیابی و از سلول مهندسی شده دوباره برای جذب استفاده کرد.

ساخت بازوهای پپتیدی مصنوعی در کاتالیست‌های زیستی سلولی روش مناسبی برای جذب و بازیابی فلزات کم‌یاب است. این بازو‌ها معمولاً با سنتز پپتید ترکیبی و غربال‌گری همراه با طراحی پپتید توسعه یافته‌اند. با مهندسی باکتری کالوباکتر کرسنتوس می‌توان فلزات کم‌یاب از دسته فلزات واسطه لانتانیدهای جدول تناوبی را جذب کرد. بعد از آن، با استفاده از سیترات، فلز مورد نظر با بازدهی بیش از 90 درصد از کاتالیست‌های زیستی بازیابی می‌شود. هم‌چنین از این روش می‌توان برای بازیابی فلزات کم‌یاب از پسماند معادن استفاده کرد.

نتیجه‌گیری و جمع‌بندی

استفاده از کاتالیست‌های زیستی در کنار پیشرفت‌هایی که در زیست‌شناسی مصنوعی و مهندسی پروتئین ایجاد شده است، می‌تواند راه‌حل مناسبی برای محیط زیست پایدار باشد. با این روش، می‌توان برخی از آلاینده‌های خطرناک را به صورت اقتصادی و تجدیدپذیر رفع و یا به صورت فلزات ارزشمند بازیابی کرد. با وجود پیشرفت‌هایی که تا کنون به دست آمده است، هنوز چالش‌های اساسی برای استفاده از کاتالیست‌های زیستی در شرایط عملیاتی وجود دارد. از جمله‌ این چالش‌ها می‌توان به مقاومت کاتالیست‌های زیستی، نگرانی‌های مربوط به استفاده و دفع محصولات حاصل از مهندسی ژنتیک برای طبیعت، طراحی واحدهای تصفیه مناسب و هزینه‌های اجرایی این روش‌ها در مقیاس صنعتی اشاره کرد.

این مطلب در 4 دسامبر 2018 در مجله Trends in Biotechnology منتشر شده است.

☑ نویسنده: Baotong Zhu
☑ منبع