مهندسی باکتری ایکولای برای مصرف کربن‌دی‌اکسید
پژوهشگران سویه‌ای از باکتری «اشریشیاکلی» یا به‌اختصار «ایکولای» ایجاد کرده‌اند که به‌جای مصرف قند یا دیگر مولکول‌های ارگانیک، با مصرف کربن‌دی‌اکسید رشد می‌کند. دانشمندان می‌گویند این دستاورد نقطه‌ی عطفی درزمینه‌ی مهندسی باکتری‌ها است؛ زیرا عملکرد داخلی یکی از رایج‌ترین ارگانیسم‌های مدل زیست‌شناسی را تغییر می‌دهد.
ای‌کولایِ مصرف‌کننده‌ی کربن‌دی‌اکسید می‌تواند در آینده برای ایجاد مولکول‌های کربن ارگانیکی به‌کار برده شود که بتوانند به‌منظور سوخت زیستی یا تولید غذا استفاده شوند. محصولاتی که به این شیوه ساخته شوند، درمقایسهبا روش‌های تولید معمول، گاز کمتری منتشر خواهند کرد و به‌طور بالقوه قابلیت حذف گاز از هوا دارند. نتایج این پژوهش در مجله‌ی Cell منتشر شده است. توبیاس ارب، متخصص بیوشیمی مؤسسه‌ی ماکس پلانک، دراین‌باره می‌گوید:
این کار مانند پیوند قلب متابولیک است.
گیاهان و سیانوباکتر‌های فتوسنتزکننده (میکروب‌های آبزی تولیدکننده‌ی اکسیژن)، از انرژی حاصل از نور برای تبدیل یا تثبیت کربن‌دی‌اکسید به واحدهای ساختاری حاوی کربن نظیر DNA و پروتئین‌ها و چربی‌ها استفاده می‌کنند؛ اما اصلاح ژنتیکی این ارگانیسم‌ها دشوار است. این امر موجب کندشدن تلاش برای تبدیل آن‌ها به کارخانه‌های زیستی شده است. درمقابل، مهندسی باکتری ایکولای نسبتا ساده است و رشد سریعی دارد؛ بنابراین، تغییرات ایجادشده در آن را می‌توان به‌سرعت آزمود و در جهت بهینه‌کردن تغییرات ژنتیکی حرکت کرد. البته این باکتری بیشتر تمایل دارد روی قندهایی نظیر گلوکز رشد کند و به‌جای مصرف کربن‌دی‌اکسید، آن را به‌عنوان ماده‌ای زائد خارج کند.
ران میلو و همکارانش در مؤسسه‌ی علوم ویزمن، چندین سال است که به دست‌کاری رژیم غذایی ایکولای مشغول‌اند. آن‌ها در سال ۲۰۱۶ سویه‌ای از باکتری ایجاد کردند که کربن‌دی‌اکسید را مصرف می‌کرد. البته این ماده فقط بخش کوچکی از مصرف کربن ارگانیسم را تشکیل می‌داد و سایر کربن حاصل ترکیب ارگانیکی به‌نام «پیروات» بود.
میلو و گروهش در آخرین پژوهششان، برای ایجاد سویه‌ای از ایکولای که بتواند تمام کربن مصرفی خود را از کربن‌دی‌اکسید بگیرد، از ترکیبی از مهندسی ژنتیک و تکامل آزمایشگاهی استفاده کردند. آن‌ها ابتدا ژنی را به باکتری وارد کردند که کدکننده‌ی آنزیمی است که موجودات فتوسنتزکننده را قادر می‌سازد کربن‌دی‌اکسید را به کربن ارگانیک تبدیل کنند.
گیاهان و سیانوباکتری‌ها انرژی لازم برای این کار را از نور می‌گیرند؛ اما این کار برای ایکولای امکان‌پذیر نبود. پژوهشگران برای حل این مشکل، ژنی را وارد ژنوم باکتری کردند که به باکتری اجازه می‌داد انرژی لازم خود را از مولکولی ارگانیک به‌نام «فرمات» (Formate) بگیرد. البته حتی با ایجاد این تغییرات نیز باکتری از تعویض وعده‌ی غذایی قندی خود با مولکول کربن‌دی‌اکسید امتناع کرد. پژوهشگران برای هدایت باکتری در این مسیر، نسل‌های متمادی ایکولای را به‌طور پیوسته کشت کردند و به آن‌ها تنها مقادیر کمی از قند و کربن‌دی‌اکسیدی در غلظت حدود ۲۵۰ برابر غلظت کربن‌دی‌اکسید موجود در اتمسفر زمین دادند. آن‌ها امیدوار بودند باکتری جهش‌هایی پیدا کند که آن را با رژیم غذایی جدید سازگار کند. پس از حدود ۲۰۰ روز، نخستین سلول‌هایی پدیدار شدند که می‌توانستند از کربن‌دی‌اکسید به‌عنوان تنها منبع کربن خود استفاده کنند. پس از ۳۰۰ روز نیز، رشد این باکتری در محیط آزمایشگاه درمقایسهبا رشد باکتری‌هایی بیشتر شد که نمی‌توانستند کربن‌دی‌اکسید را مصرف کنند.
به‌گفته‌ی پژوهشگران، سویه‌های ایکولای مصرف‌کننده‌ی کربن‌دی‌اکسید یا اتوتروف روی قند نیز رشد می‌کنند. درمقایسهبا ایکولای معمولی که هر ۲۰ دقیقه یک‌بار دوبرابر می‌شود، ایکولای اتوتروف تأخیر دارد و وقتی در اتمسفر حاوی ۱۰ درصد کربن‌دی‌اکسید پرورش داده می‌شود، هر ۱۸ ساعت یک‌بار تقسیم می‌شود. این باکتری‌ها نمی‌توانند بدون قند در سطوح اتمسفری کربن‌دی‌اکسید زندگی کنند؛ سطوحی که در‌حال‌حاضر حدود ۰/۰۴۱ درصد است.
میلو و گروهش امیدوار هستند کاری کنند باکتری‌های آن‌ها بیشتر رشد یابند و در سطوح پایین‌تر کربن‌دی‌اکسید بتوانند زندگی کنند. آن‌ها همچنین می‌کوشند درک کنند چگونه ایکولای در جهت مصرف کربن‌دی‌اکسید تکامل پیدا کرده است. به‌نظر می‌رسد تغییر در ۱۱ ژن موجب کسب این توانایی شده است و پژوهشگران مشغول بررسی چگونگی این موضوع هستند. چریل کرفلد، مهندس زیستی از دانشگاه ایالتی میشیگان می‌گوید:
این کار نقطه‌ی عطفی است و نشان‌دهنده‌ی قدرت تلفیق مهندسی و تکامل در بهبود فرایندهای طبیعی است.
پیش‌از‌این، از ایکولای برای ساخت نسخه‌های مصنوعی از مواد شیمیایی مفیدی مانند انسولین و هورمون رشد انسانی استفاده شده است. میلو می‌گوید کار گروهش می‌تواند باعث گسترش تولیدات باکتری شود و حتی سوخت‌های تجدیدپذیر و غذا و دیگر مواد از این راه تولید شود؛ اما چنین پیشرفت‌هایی به این زودی حاصل نمی‌شود. ارب نیز با این موضوع موافق است:
این مقاله‌ای برای اثبات مفهوم است و چندین سال طول می‌کشد تا بتوانیم کاربردی از این ارگانیسم ببینیم.
نظرات