Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
تُظهر هذه الدراسة أن الجمع بين الهندسة العكسية لجينَي *ptsG* و*rbsR* مع التعبير المفرط العقلاني لعمليات استقلاب الزايلوز في بكتيريا *Parageobacillus thermoglucosidasius* المحبة للحرارة يتغلب بفعالية على كبت الكربون الكاتابوليتي، مما يتيح الاستخدام المشترك الفعال للجلوكوز والزايلوس ويعزز بشكل كبير إنتاجات اللاكتات في عمليات التخمير داخل المفاعلات الحيوية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالماً لا يأتي فيه وقود مصانعنا من المحاصيل الغذائية مثل الذرة أو قصب السكر، بل من النفايات الليفية القوية للنباتات: سيقان القمح، وقشور الأرز، وقطع الخشب المتبقية من قطع الأشجار. هذه المادة، المعروفة باسم اللجنوسليلوز، وفيرة ولا تنافس إمداداتنا الغذائية، مما يجعلها مورداً مثالياً لإنتاج البلاستيك والمواد الكيميائية المستدامة. ومع ذلك، فإن تحويل هذه الألياف النباتية الصلبة إلى منتجات مفيدة أمر صعب. فعندما يفكك العلماء هذه الألياف، فإنهم يطلقون خليطاً من نوعين رئيسيين من السكريات: الجلوكوز والكسيلوز. وبينما يمكن للعديد من الميكروبات استهلاك الجلوكوز بسهولة، إلا أنها غالباً ما تتجاهل الكسيلوز، وتنتظر حتى ينتهي الجلوكوز قبل أن تبدأ في تناول السكر الثاني. هذه "لعبة الانتظار" تبطئ الإنتاج وتضيع الوقت. ولحل هذه المشكلة، يبحث الباحثون عن ميكروبات يمكنها استهلاك كلا السكرين في وقت واحد، وخاصة تلك التي تزدهر في البيئات الحارة حيث تتم عملية تفكيك الألياف النباتية بأكثر كفاءة.
لقد وضع فريق من الباحثين خطة لهندسة بكتيريا محبة للحرارة تسمى "باراجيوباسيلوس ثيرموجلوكوسيداسيدوس" (Parageobacillus thermoglucosidasius) للتغلب على هذا التفضيل في الأكل. هذه الميكروبة مرشحة قوية بالفعل للاستخدام الصناعي لأنها تنمو بشكل أفضل في درجات حرارة تتراءح بين 60 و65 درجة مئوية، وهو ما يتوافق مع الحرارة اللازمة لتفكيك الأليوة النباتية. أراد العلماء إعادة صياغة تعليماتها الداخلية بحيث تستهلك الجلوكوز والكسيلوز معاً، بدلاً من تناول أحدهما تلو الآخر. بدأوا بالبحث في تجربة سابقة تطورت فيها البكتيريا طبيعياً لتأكل كلا السكرين عندما أُجبرت على ذلك. ومن خلال دراسة التغيرات الجينية في تلك البكتيريا المتطورة، حدد الفريق طفرتين محددتين بدا أنهما المسؤولتان عن هذا السلوك الجديد. غيرت إحدى الطفرات بروتيناً يساعد الخلية على التقاط الجلوكوز، بينما أزالت الطفرة الأخرى "مكبحاً" جينياً يمنع الخلية عادةً من صنع ناقلات للسكريات الأخرى.
قام الباحثون بعد ذلك ببناء هذه التغييرات الدقيقة في نسخة قياسية من البكتيريا لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم إعادة إنتاج السلوك المحسن. لقد أنشأوا ثلاث سلالات جديدة: واحدة تحتوي على البروتين المعدل لالتقاط الجلوكوز، وأخرى تحتوي على المكبح المزاح، وثالثة تجمع بين التغييرين معاً. كما جربوا نهجاً مختلفاً، وهو إجبار البكتيريا على إنتاج الآليات اللازمة لتناول الكسيلوز باستمرار، بغض النظر عن وجود سكريات أخرى. وعندما اختبروا هذه السلالات الجديدة في بيئات محكومة، أظهرت النتائج أن التغييرات الجينية قد نجحت، ولكن بطرق مختلفة. فالسلالة ذات بروتين الجلوكوز المعدل أكلت كلا السكرين بسرعة متقاربة. أما السلالة ذات المكبح المزاح فقد أكلت كلا السكرين معاً أيضاً، رغم أنها نمت ببطء أكثر بشكل عام. وسلكت السلالة التي جمعت بين التغييرين سلوكاً مفاجئاً، حيث فضلت الكسيلوز على الجلوكوز، وهو انعكاس كامل للترتيب الطبيعي.
ولفهم سبب حدوث هذه التغييرات، نظر الفريق داخل الخلايا ليرى ماهية البروتينات التي يتم إنتاجها. ووجدوا أن الطفرات تسببت في توقف البكتيريا عن كبح الجينات المسؤولة عن أكل الكسيلوز، مما سمح للخلية بإنتاج الأدوات اللازمة لاستهلاكه حتى في وجود الجلوكوز. وأظهرت السلالة ذات المكبح المزاح انخفاضاً كبيراً في البروتينات المسؤولة عن التقاط الجلوكوز، مما أدى على الأرجح إلى إبطاء استهلاك هذا السكر بما يسمح بتناول الكسيلوز في الوقت نفسه. كما اختبر الباحثون قدرة هذه البكتيريا على إنتاج حمض اللاكتيك، وهو مادة كيميائية تستخدم لصنع البلاستيك القابل للتحلل الحيوي، من خليط من هذين السكرين. وقد أدت السلالات المهندسة أداءً أفضل من البكتيريا الأصلية غير المعدلة؛ حيث حققت السلالة ذات المكبح المزاح أعلى كمية من حمض اللاكتيك بالنسبة للسكر الذي استهلكته، حيث وصلت نسبة الإنتاج إلى 72.76 بالمائة، مقارنة بـ 56.76 بالمائة للسلالة الأصلية. كما أظهرت سلالة أخرى أُجبرت باستمرار على إنتاج آليات أكل الكسيلوز نتائج قوية، بإنتاج بلغ 63 بالمائة.
تشير الدراسة إلى أنه بينما ساعد مجرد إجبار البكتيريا على إنتاج المزيد من أدوات أكل الكسيلوز، فإن الطريقة الأكثر فعالية لجعلها تأكل كلا السكرين معاً كانت تغيير كيفية استشعارها واستهلاكها للجلوكوز. فمن خلال إبطاء دخول السكر المفضل، تمكنت البكتيريا من الوصول إلى السكر الثاني في وقت أقرب بكثير. سمح هذا النهج للفريق بإنشاء مصنع ميكروبي يعمل بكفاءة أكبر على النفايات النباتية. وتشير النتائج إلى أنه من خلال إجراء تغييرات صغيرة ومحددة في الشفرة الجينية للبكتيريا، يمكن إطلاق العنان للإمكانات الكاملة للمواد الخام النباتية، وتحويل خليط معقد من السكريات إلى منتجات قيمة دون التأخيرات الطويلة الناتجة عن عادات الأكل الطبيعية للبكتيريا. ويوفر هذا العمل مساراً واضحاً لتحسين كيفية استخدامنا للموارد المتجددة لبناء مواد المستقبل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.