Screening and optimization of fermentation conditions for a high protease-producing strain derived from marine mangrove

في أعماق التربة الطينية المالحة حيث تلتقي اليابسة بالبحر، يزدهر عالم خفي من الحياة المجهرية. هذه هي الأراضي الرطبة لأشجار المانغروف، وهي بيئات فريدة تتميز بمستويات عالية من الملوحة، ورطوبة مستمرة، وإمدادات غنية من المواد العضوية. ولأن هذه الظروف تختلف تمامًا عن المياه العذبة أو اليابسة الجافة التي تعرفها معظم أشكال الحياة، فقد تطورت الميكروبات التي تعيش هناك لتصبح قوية ومتخصصة. ومن بين العديد من الأدوات التي تستخدمها هذه الكائنات الدقيقة للبقاء على قيد الحياة فئة من البروتينات تسمى الإنزيمات. وتحديدًا، فإن "البروتياز" (proteases) هي مقصات جزيئية تقطع جزيئات البروتين الكبيرة إلى قطع أصغر، وهي عملية ضرورية للهضم والنمو. وبينما تُستخدم هذه الإنزيمات بالفعل في صناعة كل شيء من الجبن إلى منظفات الغسيل، فإن العلماء يبحثون دائمًا عن نسخ جديدة وأكثر كفاءة. إن المحيط، الذي يغطي معظم كوكبنا، يضم مكتبة هائلة وغير مستغلة من هذه الأدوات البيولوجية، لا سيما في مناطق المانغروف حيث تكيفت الحياة مع التحديات القاسية.

في دراسة حديثة، شرع الباحثون في استكشاف هذا المورد المحدد على طول ساحل "بيهاي" في جنوب الصين. لقد جمعوا عينات من الطين من المسطحات المدية في مانغروف "ينتان"، وهو مكان يرتفع فيه الماء وينخفض يوميًا، مما يؤدي إلى خلط الماء المالح والعذب. كان هدفهم بسيطًا ولكنه طموح: العثور على نوع محدد من الميكروبات المختبئة في ذلك الطين يمكنه إنتاج كمية كبيرة من البروتياز. لم يكونوا يبحثون عن أي ميكروب فحسب، بل عن ميكروب يمكنه القيام بذلك بكفاءة باستخدام مواد رخيصة ومتاحة بسهولة. ويُدفع بهذا البحث من خلال حاجة عملية؛ فالعديد من الإنزيمات الصناعية تأتي حاليًا من ميكروبات برية تعاني في الظروف المالحة أو الحارة، مما يحد من فائدتها. ومن خلال العثور على سلالة تزدهر طبيعيًا في المانغروف، يأمل العلماء في اكتشاف عامل قوي يمكنه العمل في البيئات القاسية وربما تحويل منتجات النفايات إلى موارد قيمة.

بدأ الفريق بنشر الطين على أطباق خاصة تحتوي على "الكازين"، وهو بروتين الحليب. إذا أنتج الميكروب الموجود على الطبق بروتياز، فسيقوم بهضم الكازين حوله، مما يخلق دائرة شفافة وواضحة. سمحت هذه الإشارة المرئية للباحثين برصد أكثر المرشحين واعدًا. ومن الطين، عزلوا 456 سلالة مختلفة أظهرت هذه القدرة على هضم البروتين. ثم قاموا بتضييق هذه المجموعة الكبيرة من خلال قياس حجم الدوائر الشفافة بالنسبة لحجم مستعمرة الميكروب نفسها. ساعدتهم هذه الخطوة في تحديد أكثر عشرين منتجًا قوة. ومع ذلك، كان الباحثون يعلمون أن ما يحدث على طبق مسطح لا يتنبأ دائمًا بما يحدث في خزان سائل، وهو ما يمثل كيفية عمل التخمير الصناعي. لذا، أخذوا هذه السلالات العشرين الأولى وزرعوها في مرق سائل لمعرفة مقدار الإنزيم الذي ستنتجه بالفعل.

كشفت نتائج هذا الاختبار السائل عن تحول مفاجئ. فالسلالة التي أحدثت أكبر دائرة شفافة على الطبق لم تكن هي التي أنتجت أكبر قدر من الإنزيم في السائل. بدلاً من ذلك، برزت سلالة تحمل الرقم 298 كفائزة واضحة، حيث أنتجت إنزيمًا أكثر بكثير من غيرها. ومن خلال الملاحظة الدقيقة لشكلها تحت المجهر وقراءة شفرتها الوراثية، حدد الفريق هذا الميكروب البطل على أنه "باسيلوس آيريوس" (Bacillus aerius)، وهو نوع من البكتيريا المعروفة بالعيش في الهواء والتربة. ويعد هذا الاكتشاف لافتًا للنظر لأنه بينما تعد أنواع "الباسيلوس" شائعة، فإن العثور على نوع يتمتع بمثل هذا الإنتاج العالي للإنزيم من بيئة المانغروف تحديدًا يضيف عضوًا جديدًا قيمًا إلى مجموعة الميكروبات المفيدة لدى المجتمع العلمي.

بعد تحديد السلالة الأفضل، وجه الباحثون اهتمامهم لجعلها تعمل بجهد أكبر. أرادوا العثين على الوصفة المثالية لنموها، وهي عملية تُعرف باسم "تحسين التخمير". اختبروا ظروفًا مختلفة، مثل تغيير درجة الحرارة، وضبط حموضة الماء، وإضافة مغذيات مختلفة. واكتشفوا أن هذا الميكروب المحدد لا يحتاج إلى مصادر غذاء مكلفة ومعقدة مثل السكر أو مستخلصات اللحوم. في الواقع، غالبًا ما جعلت إضافة تلك المغذيات الإضافية البكتيريا تنتج إنزيمًا أقل. بدلاً من ذلك، ازدهر الميكروب على مكون واحد متواضع: مسحوق قشور الروبيان. وهذا المنتج هو أحد مخلفات صناعة المأكولات البحرية، والذي غالبًا ما يتم التخلص منه بعد المعالجة. يمكن للبكتيريا استخدام القشور مباشرة كغذاء لها وكمحفز لبدء صنع الإنزيمات، مما يحول ملوثًا محتملاً إلى أداة إنتاج.

ولإيجاد المزيج المثالي تمامًا، استخدم الفريق طريقة إحصائية لاختبار كيفية عمل درجة الحرارة، وكمية مسحوق قشور الروبيان، والحموضة الأولية للماء معًا. وجدوا أن هذه العوامل الثلاثة هي أهم الروافع التي يمكن تحريكها. وتبين أن الظروف المثالية هي درجة حرارة 32.2 درجة مئوية، وكمية محددة من مسحوق قشور الروبيان تبلغ 5.88 جرام لكل لتر، وحموضة (pH) أولية قلوية تبلغ 8.66. وعندما زرعوا البكتيريا تحت هذه الظروف الدقيقة، قفز إنتاج الإنزيم بشكل كبير. وصل الناتج النهائي إلى 639.5 وحدة من نشاط الإنزيم لكل ميليلتر، وهو ما يزيد بنسبة 58% تقريبًا عما حصلوا عليه مع إعدادهم القياسي غير المحسن. وكان النموذج الرياضي الذي استخدموه للتنبؤ بهذه النتيجة دقيقًا للغاية، حيث كان الفرق بين التنبؤ والتجربة الفعلية أقل من 2%.

توضح هذه الدراسة أن طين المانغروف في "غوانغشي" يعد مصدرًا غنيًا بالميكروبات المتخصصة القادرة على إنتاج إنزيمات عالية الأداء. ومن خلال تحديد سلالة Bacillus aerius رقم 298 ومعرفة كيفية تغذيتها باستخدام نفايات قشور الروبيان، وضع الباحثون حجر الأساس لطريقة أكثر استدامة وفعالية من حيث التكلفة لإنتاج البروتياز. وبينما تم العمل حتى الآن في دوارق مختبرية صغيرة، فإن النتائج تشير إلى مسار واضح للمضي قدمًا. إذا أمكن توسيع نطاق هذه العملية لتشمل خزانات صناعية كبيرة، فقد توفر طريقة جديدة لتنظيف نفايات المعالجة المائية مع تصنيع الإنزيمات للصناعات الغذائية ومنتجات التنظيف وغيرها في آن واحد. وتؤكد الدراسة أن الأدوات البيولوجية الأكثر قيمة لا توجد أحيانًا في المختبرات عالية التقنية، بل في الحواف الطينية والمالحة من العالم حيث تعلمت الحياة التكيف مع الأقصى من الظروف.