Expanding the flavonoid production in Acinetobacter baylyi ADP1 from lignin-derived aromatics

تُعد النباتات كيميائيين بارعين، فهي تصيغ باستمرار جزيئات معقدة تحميها من الشمس، وتكافح العدوى، وتمنحها ألوانها. ومن بين هذه الابتكارات الكيميائية تبرز "الفلافونويدات"، وهي عائلة متنوعة من المركبات الموجودة في الفواكه والخضروات والزهور. لقد قدّر البشر هذه المواد منذ زمن طويل لفوائدها الصحية المحتملة، حيث استخدموها في الأطع والمستحضرات الطبية ومستحضرات التجميل. ولعقود من الزمن، كانت الطرق الرئيسية للحصول على الفلافونويدات هي استخراجها من النباتات أو بناءها من الصفر في المختبر. ولكلتا الطريقتين عيوب كبيرة: فاستخراجها من المحاصيل غالباً ما يكون غير فعال ومحدوداً بالمواسم، بينما يمكن أن يكون التصنيع الكيميائي مكلفاً وضاراً بالبيئة.

في السنوات الأخيرة، توجه العلماء إلى مصانع حية متناهية الصغر تسمى الميكروبات لإنتاج هذه المركبات. ومن خلال إدخال جينات نباتية في البكتيريا أو الخميرة، يمكن للباحثين برمجة هذه الخلايا لتصنيع فلافونويدات محددة. ومع ذلك، فإن معظم هذه المصانع الميكروبية تتغذى على السكريات البسيطة، مثل الجلوكوز. ولتحويل السكر إلى فلافونويد، يجب على الميكروب أولاً بناء بنية حلقية عطرية معقدة من الصفر، وهي عملية تتطلب العديد من الخطوات الجينية وتستهلك الكثير من طاقة الخلية. وهذا يجعل العملية طويلة وصعبة التحكم. إن اتباع نهج أكثر مباشرة يتمثل في تغذية الميكروبات باللبنات العطرية التي تحتاجها، متجاوزين بذلك مرحلة البناء الأولية. وتوفر الطبيعة هذه اللبنات بوفرة داخل "اللجنين"، وهو بوليمر خشبي صلب يمنح الأشجار صلابتها. وعند تكسير الخشب، فإنه يطلق خليطاً من المركبات العطرية التي تشبه كيميائياً السلائف التي تستخدمها النباتات لصنع الفلافونويدات. ويكمن التحدي في إيجاد ميكروب لا يستطيع فقط "أكل" هذه المركبات العطرية الصعبة، بل يتحمل أيضاً الظروف القاسية لتفكيك الخشب، مع كونه سهل الهندسة للإنتاج.

لقد نجح فريق من الباحثين في جامعة تامبيري بفنلندا في معالجة هذا التحدي عبر اللجوء إلى بكتيريا تسمى Acinetobacter baylyi ADP1. وبخلاف البكتيريا الشائعة المستخدمة في المختبرات غالباً في هذه الدراسات، يمتلك هذا الكائن الحي بشكل طبيعي الآليات اللازمة لاستهلاك مجموعة واسعة من المركبات العطرية الموجودة في الخشب. وقد سعى الباحثون لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تسخير هذه القدرة الطبيعية لتحويل المواد المشتقة من اللجنين مباشرة إلى فلافونويدات قيمة. كان هدفهم هو إنشاء منصة ميكروبية واحدة يمكنها إنتاج أنواع مختلفة من الفلافونويدات ببساطة عن طريق تغيير نوع "الغذاء" المشتق من الخشب المقدم لها، دون الحاجة إلى إعادة برمجة الشفرة الجينية للبكتيريا لكل منتج جديد.

بدأ الفريق باختبار ما إذا كان بإمكانهم جعل البكتيريا تنتج "هومو إريوديكتيول" (homoeriodictyol)، وهو فلافونويد محدد يُستخدم غالباً في الغذاء والدواء. هذا الجزيء يُصنع عادة من سلف يسمى "فيرولات" (ferulate). حاول الباحثون أولاً تعديل إنزيمات البكتيريا الموجودة لتقبل الفيرولات، آملين في إجراء تعديل جيني بسيط يسمح للخلية بمعالجة هذا المكون الجديد. قاموا بتعديل أجزاء محددة من الإنزيم المسؤول عن بناء بنية الفلافونويد، لكن هذه التغييرات لم تنجح؛ إذ لم تستطع البكتيريا إنتاج الجزيء المطلوب. وإدراكاً منهم بأن التعديلات الطفيفة لن تكون كافية، غيّر الباحثون استراتيجيتهم. فبدلاً من تعديل الإنزيم الحالي، بحثوا عن نسخة أخرى من الإنزيم من نوع نباتي مختلف قادرة طبيعياً على التعامل مع الفيرولات. ووجدوا تطابقاً في نبات يسمى Stenoloma chusanum. وعندما استبدلوا إنزيم البكتيريا الأصلي بهذا الإنزيم النباتي الجديد، بدأت البكتيريا فوراً في إنتاج الهومو إريوديكتيول. وقد سلط هذا الاكتشاف الضوء على مبدأ رئيسي: أحياناً لا يكون الحل الأكثر فعالية هو إجبار أداة موجودة على القيام بمهمة جديدة، بل في العثور على أداة صُممت بالفعل لهذا الغرض.

مع وجود هذا المزيج الإنزيمي الجديد، عمل الباحثون على تحسين ظروف النمو لرفع الإنتاج إلى أقصى حد. ووجدوا أن البكتيريا تعمل بشكل أفضل عند تغذيتها بكمية معتدلة من السلف ونموها في درجة حرارة محددة. وتحت هذه الظروف، أنتجت البكتيريا 3.7 مليجرام لكل لتر من الهومو إريوديكتيول في قارورة مخبرية. لكن الفريق لم يتوقف عند هذا الحد، فقد أرادوا معرفة ما إذا كان هذا الإعداد نفسه يمكنه إنتاج فلافونويدات أخرى. فأدخلوا مركباً عطرياً مختلفاً، وهو "كافيات" (caffeate)، في المزرعة البكتيرية. ومن المثير للدهشة أن نفس السلالة من البكتيريا، وبنفس الإعداد الجيني تماماً، قامت بتغيير مسارها وبدأت في إنتاج فلافونويد مختلف يسمى "إريوديكتيول" (eriodictyol). وفي هذه الحالة، أنتجت البكتيريا 24.2 مليجرام لكل لتر، وهي كمية أعلى بكثير من المرة السابقة. وقد أثبت هذا أن مخرجات البكتيريا كانت محكومة تماماً بنوع "الغذاء" الذي تُقدم له؛ فإذا غُذيت بالفيرولات، صنعت منتجاً واحداً، وإذا غُذيت بالكافيات، صنعت منتجاً آخر.

ولاختبار النظام في ظروف أكثر واقعية، نقل الباحثون البكتيريا إلى "مفاعل حيوي" (bioreactor)، وهو وعاء أكبر يُستخدم للتخمير على نطاق صناعي. قاموا بتغذية البكتيريا بخليط من ثلاثة مركبات عطرية موجودة في الخشب: الفيرولات، والكافيات، و "بي-كومارات" (p-coumarate). ونجحت البكتيريا في تحويل هذا "الحساء" المختلط إلى كوكتيل من ثلاثة فلافونويدات في آن واحد. ورغم أن الكمية الإجمالية للمنتج كانت أقل مما لو تم تغذيتها بمكون واحد، ويرجع ذلك على الأرجح إلى تنافس المسارات المختلفة على الموارد، إلا أن النتيجة أثبتت أن النظام يمكنه التعامل مع الخلطات المعقدة. وهذه خطوة حاسمة، لأن نفايات الخشب في العالم الحقيقي ليست أبداً مادة كيميائية نقية واحدة، بل هي مزيج معقد.

أخيراً، اختبر الفريق النظام باستخدام نواتج ثانوية صناعية فعلية. فقد أخذوا "قش القمح" ونوعاً من الخشب المعالج يسمى "أورجانوسولف لجنين" (organosolv lignin)، وعاملوهما بعملية كيميائية لتفكيكهما، وجمعوا السائل الناتج. يحتوي هذا السائل، المعروف باسم "سائل التحلل القلوي"، على مزيج طبيعي من المركبات العطرية ولكن أيضاً على العديد من الشوائب التي قد تكون سامة لمعظم أنواع البكتيريا. أضاف الباحثون هذا السائل المعقد إلى المزارع البكتيرية، ورغم البيئة الصعبة والملوثة، ازدهرت البكتيريا وأنتجت الفلافونويدات. لقد نجحوا في تحويل المركبات الموجودة في سوائل قش القمح واللجنين إلى الجزيئات المستهدفة، مما أثبت أن النظام يعمل ليس فقط مع المواد الكاسية النقية في المختبر، بل مع تدفقات النفايات الفعلية الناتجة عن صناعات الغابات والزراعة.

تخلص الدراسة إلى أن Acinetobacter baylyi ADP1 يعد منصة متعددة الاستخدامات للتصنيع المستدام. فمن خلال الاستفادة من قدرة البكتيريا الطبيعية على "أكل" المركبات العطرية، تجاوز الباحثون الحاجة إلى بناء هذه الهياكل من الصفر. ويسمح هذا النهج بإنشاء نظام إنتاج مرن حيث يتحدد المنتج النهائي بناءً على المادة الخام المقدمة. فإذا كان لدى المصنع فائض من نوع معين من المواد الكيميائية المشتقة من الخشب، يمكن تغذية البكتيريا بها لصنع فلافونويد محدد؛ وإذا تغير الإمداد، يمكن تغذية نفس البكتيريا بمادة كيميائية مختلفة لصنع منتج آخر، كل ذلك دون الحاجة إلى هندسة جينية جديدة. إن هذا العمل يؤسس رابطاً مباشراً بين تثمين اللجنين (وهي مادة غالباً ما تُحرق كوقود) وإنتاج منتجات طبيعية عالية القيمة، مما يوفر مساراً واعداً نحو اقتصاد حيوي أكثر دائرية وكفاءة.