Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production

تعد أشعة الشمس هي المحرك الذي يدفع الحياة في المحيط، ولكن بالنسبة للنباتات المجهرية وحيدة الخلية المعروفة باسم الطحالب الدقيقة، فإن كثرة هذا الشيء الجيد قد تصبح مشكلة. تعتمد هذه الكائنات المجهرية على صبغة خضراء تسمى الكلوروفيل لالتقاط طاقة الضوء وتحويلها إلى غذاء ونمو. ومع ذلك، عندما تنمو هذه الخلايا متزاحمة معاً في خزان كبير، فإن تركيزها العالي من الصبغة الخضراء يخلق حاجزاً؛ حيث تمتص الخلايا الموجودة في الخارج كل الضوء تقريباً، مما يلقي بظلال عميقة تحرم الخلايا الموجودة في المنتصف من الضوء. هذه الظاهرة، التي تُسمى غالباً "تأثير الظل"، تحد من كمية الكتلة الحيوية التي يمكن أن ينتجها المزرعة بأكملها، مما يجعل من الصعب زراعة هذه الكائنات بكفاءة على نطاق واسع لإنتاج الوقود أو غيره من المنتجات.

لطال ملاحقة العلماء سبل لتجاوز هذا القصور من خلال إيجاد أو استنباط سلالات من الطحالب الدقيقة لا تحتاج إلى قدر كبير من الكلوروفيل للبقاء على قيد الحياة. فإذا تمكنت سلالة ما من النمو بكمية أقل من الصبغة الخضراء، فسيسمح ذلك للضوء بالتغلغل بعمق أكبر في المزرعة، مما يمكّن المزيد من الخلايا من النمو في وقت واحد ويزيد من إجمالي الحصاد. وقد تصدى فريق من الباحثين في الجامعة التقنية في كريت باليونان مؤخراً لهذا التحدون عبر العمل على نوع محدد من الطحالب الدقيقة عصوية الشكل تسمى "ستيكوكوكوس" (Stichococcus). حيث هدفوا إلى إنشاء نسخة من هذا الكائن تنتج طبيعياً كمية أقل من الكلوروفيل ولكنها تنمو بشكل أسرع وتنتج مواد أكثر قيمة، مثل الزيوت والسكريات، مقارنة بنظيراتها البرية.

ولتحقيق ذلك، استخدم الباحثون تقنية تسمى الطفرة الكيميائية. فقد عرضوا مزرعة من طحالب "ستيكوكوكوس" البرية لمادة كيميائية معروفة باسم "إيثيل ميثان سلفونات"، والتي تعمل كأداة عشوائية للشفرة الوراثية للكائن. وتؤدي هذه العملية إلى إدخال تغييرات صغيرة وغير متوقعة في الحمض النووي للخلايا. ولم يكن الهدف هو تصميم تغيير محدد، بل توليد مجموعة واسعة من الطفرات العشوائية ثم غربلة الناجين للعثور على تلك التي حدث لها بالصدفة أن تمتلك كلوروفيلاً أقل. وقد ضبط الفريق تركيز المادة الكيميائية بعناقة لضمان نجاة حوالي خمسة بالمائة فقط من الخلايا من المعالجة، وهو مستوى من الإجهاد يشجع على ظهور سمات جديدة دون القضاء على الجمهرة بأكملها.

بعد المعالجة الكيميائية، قام الباحثون بزراعة الخلايا الناجية على أطباق "آجار" صلبة وانتظروا نموها لتصبح مستعمرات مرئية. وبحثوا عن المستعمرات التي بدت أخف لوناً من اللون الأخضر الداكن للسلالة البرية الأصلية. ومن بين هذه المستعمرات، اختاروا سلالتين محددتين، أطلقوا عليهما اسم EMS1 وEMS2، لأنهما بدتا الأكثر شحوباً. وللتأكد من أن هذه الألوان الفاتحة كانت تغيراً جينياً دائماً وليست مجرد تفاعل مؤقت، قام الفريق بتنمية هذه السلالات لثلاثة أجيال في مياه بحر سائلة. ثم قارنوا أداء هذه الطفرات الجديدة مقابل النوع البري الأصلي تحت ظروف متطابقة، حيث قاسوا كمية الكتلة الحيوية التي أنتجوها، ومحتوى الكلوروفيل لديهم، وكذلك كمية الزيوت والكربوهيدرات التي خزنها كل منهم.

أظهرت النتائج ميزة واضحة للسلالات الطافرة. فقد حققت السلالة الأفضل أداءً، وهي EMS1، نمواً أسرع بشكل ملحوظ وأنتجت كتلة حيوية إجمالية أكبر من النوع البري. وبنهاية تجربة الأسبوعين، وصلت كثافة مزرعة EMS1 إلى 2.47 جرام لكل لتر، بينما وصلت النوع البري إلى 2.20 جرام لكل لتر فقط. والأهم من ذلك، احتوت سلالة EMS1 على كلوروفيل أقل بشكل ملحوظ؛ فبينما كان النوع البري يحتوي على حوالي 11 مليجرام من الكلوروفيل لكل جرام من الكتلة الحيوية الجافة، احتوت سلالة EMS1 الطافرة على حوالي 6.29 مليجرام فقط. وأكد هذا الانخفاض في الصبغة أن الطفرة نجحت في تغيير قدرة الكائن على حصاد الضوء، مما قد يسمح له بالنمو بكفاءة أكبر في المزارع الكثيفة حيث يكون نفاذ الضوء محدوداً.

وبعيداً عن مجرد النمو بشكل أسرع وامتلاك صبغة خضراء أقل، أظهرت السلالة الطافرة وعوداً في إنتاج مواد صناعية قيمة. فقد وجد الباحثون أن سلالة EMS1 تخزن دهوناً (ليبيدات) أكثر، وهي الدهون التي يمكن تحويلها إلى وقود حيوي، وكربوهيدرات أكثر، والتي يمكن استخدامها لمنتجات كيميائية أخرى. فقد ارتفع محتوى الليبيدات في سلالة EMS1 إلى 21 بالمائة من وزنها الجاف، مقارنة بـ 15 بالمائة في النوع البري. وبالمثل، زاد محتوى الكربوهيدرات إلى 44 بالمائة من الوزن الجاف، صعوداً من 28 بالمائة في السلالة الأصلية. وظل محتوى البروتين في الخلايا متقارباً تقريباً في جميع المجموعات، مما يشير إلى أن الطفرة عززت تحديداً إنتاج المركبات المخزنة للطاقة دون التضحية بالمكونات الهيكلية الأساسية للخلية.

تخلص الدراسة إلى أن عملية الطفرة الكيميائية هذه هي وسيلة قابلة للتطبيق لتحسين سلالات الطحالب الدقيقة للإنتاج واسع النطاق. وتمثل سلالة EMS1، بمحتواها المنخفض من الكلوروفيل وإنتاجها العالي من الكتلة الحيوية والمواد الكيميائية القيمة، خطوة هامة للأمام. ويخطط الباحثون لاستخدام هذه السلالة المحددة في تجارب مستقبلية تتضمن مفاعلات حيوية ضوئية ذات غشاء حيوي (biofilm photobioreactors)، وهي أنظمة تنمو فيها الطحالب على أسطح صلبة بدلاً من الطفو بحرية. ومن خلال استخدام سلالة تسمح للضوء بالانتقال بعمق أكبر في المزرعة، يأملون في التقاط ثاني أكسيد الكربون من الدخان الصناعي وتحويله إلى منتجات عالية القيمة، وتحويل غاز عادم إلى مورد بتكاليف استزراع أقل.