Production, Purification and Characterization of Thermostable Amylase from Thermophilic Bacteria Isolated from Water and Sediments of Wanzaye Hot Spring, Ethiopia

في عالم التصنيع الصناعي، تعمل الإنزيمات كأدوات الطبيعة الخاصة، حيث تسرع التفاعلات الكيميائية التي قد تستغرق وقتاً طويلاً جداً أو تتطلب ظروفاً قاسية لولا وجودها. ومن بين هذه الإنزيمات، تُعد الأميلازات ذات قيمة خاصة لأنها تفكك النشا، وهو مصدر طاقة شائع يوجد في النباتات، إلى سكريات أبسط. ورغم أن هذه الإنزيمات مفيدة، إلا أن الكثير منها يتفكك أو يتوقف عن العمل عندما ترتفع درجة الحرارة، مما يحد من استخدامها في العمليات التي تتطلب الحرارة. وهنا يأتي دور البكتيريا المحبة للحرارة، أو "المحبة للحرارة العالية"، والتي تعيش في بيئات قاسية مثل الينابيع الساخنة؛ إذ تنتج هذه الكائنات المجهرية إنزيمات تظل مستقرة ونشطة حتى في درجات الحرارة المرتفعة. لقد سعى العلماء منذ فترة طويلة لتسخير هذه المحفزات البيولوجية القوية لتحسين الكفاءة في صناعات تتراوح من معالجة الأغذية إلى تصنيع المنظفات، لكن العديد من المناطق ذات النشاط الجيودينامي تظل غير مستغلة إلى حد كبير لهذه الموارد المحددة.

لقد وجه الباحثون في إثيوبيا اهتمامهم نحو ينبوع وانزاي الساخن، وهو موقع جيودينامي طبيعي في الجزء الشمالي الغربي من البلاد، للتحقق مما إذا كانت مياهه ورواسبه تحتوي على بكتيريا قادرة على إنتاج مثل هذه الإنزيمات المستقرة حرارياً. جمع الفريق عينات من الينبوع، الذي يقع في مناخ معتدل رطب ولكنه ينضح بمياه تصل درجة حرارتها إلى 42 درجة مئوية. ومن خلال تسخين العينات إلى 80 درجة مئوية، قاموا بتصفية البكتيريا والفطريات العادية، تاركين خلفهم فقط المحبات للحرارة القوية والمكونة للأبواغ. ومن بين الناجين، عزلوا عشرين مستعمرة بكتيرية متميزة وفحصوها لقدرتها على إذابة النشا. أظهرت ثماني منها نشاطاً قوياً، وتم اختيار أربع سلالات محددة، سُميت WA7 وWA10 وWA11 وWA12، لإجراء دراسة أعمق. وقد تم تحديد جميع السلالات الأربع بأنها تنتمي إلى جنس "باسيلوس" (Bacillus)، وهي مجموعة من البكتيريا المعروفة بمرونتها وقدرتها على تكوين أبواغ واقية.

ولإنتاج الإنزيمات، قام الباحثون بتنمية هذه البكتيريا باستخدام طريقة تسمى "التخمير في الحالة الصلبة"، والتي تتضمن زراعة الميكروبات على نفايات زراعية صلبة بدلاً من الوسط السائل. وقد اختبروا ثلاثة مواد مختلفة: نخالة القمح، ونخالة الأرز، وقشور الموز. وأظهرت النتائج أن نخالة القمح كانت الخيار الأفضل، حيث دعمت أعلى إنتاج للإنزيم. وحدد الفريق أن البكتيريا تنمو بشكل أفضل وتنتج أكبر قدر من الإنزيم عند درجة حرارة 55 درجة مئوية مع درجة حموضة متعادلة (pH 7)، وأن الوقت الأمثل لحصاد الإنزيم هو بعد 72 ساعة من النمو. وبمجرد انتهاء البكتيريا من عملها، استخلص الباحثون خليط الإنزيم الخام وقاموا بتنقيته باستخدام عملية تضمنت إضافة الملح لترسيب البروتينات ثم غسلها لإزالة الشوائب. وقد أدت خطوة التنقية هذه إلى زيادة تركيز الإنزيم النشط، مما جعله أكثر فعالية.

ثم خضعت الإنزيمات المنقاة لسلسلة من الاختبارات لفهم قدراتها. وكشف التحليل أن الإنزيمات تبلغ كتلتها الجزيئية حوالي 50 كيلودالتون، وأنها تفكك النشا أساساً إلى مالتوز، وهو نوع من السكر. وعند اختبار تحملها للحرارة، أثبتت الإنزيمات أنها قوية للغاية؛ حيث وصلت إلى ذروة أدائها عند درجات حرارة تتراوح بين 65 و70 درجة مئوية، اعتماداً على السلالة البكتيرية المحددة. والأكثر إثارة للإعجاب هو أنها بعد بقائها في درجات حرارة تتراوح بين 40 و80 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، احتفظت بأكثر من 76.8 بالمائة من نشاطها الأصلي. كما أظهرت استقراراً عبر نطاق واس من مستويات الحموضة، حيث عملت جيداً في الظروف من الحمضية الطفيفة إلى القلوية الطفيفة.

ولعل العرض الأكثر عملية لإمكاناتها تمثل في نشا "الإنست" (enset) الخام، وهو محصول غذائي أساسي في إثيوبيا. فقد خلط الباحثون مسحوق نشا "الإنست" الخام مع الإنزيمات المنقاة ووجدوا أن الإنزيمات يمكنها تحويل النشا إلى سكريات قابلة للتخمير بكفاءة تتجاوز 70 بالمائة لجميع السلالات الأربع، مع وصول الأداء الأفضل إلى ما يقرب من 91 بالمائة. وهذا يشير إلى إمكانية استخدام هذه الإنزيمات لمعالجة النشا الخام مباشرة، وهي عملية غالباً ما تكون صعبة وتستهلك الكثير من الطاقة. وتخلص الدراسة إلى أن ينبوع وانزاي الساخن يعد مصدراً قيماً، وغير مستغل سابقاً، للبكتيريا ذات الأهمية الصناعية. ومن خلال استخدام النفايات الزراعية الرخيصة مثل نخالة القمح لزراعة هذه الميكروبات، أثبت الباحثون طريقة فعالة من حيث التكلفة لإنتاج إنزيمات يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية المطلوبة في صناعات معالجة النشا الحديثة، مما يوفر مساراً مستداماً للتصنيع المحلي والعالمي.