Screening, Identification and Statistical Optimization of Peroxidase from Bacillus rugosus JBP20: A Microbial Biocatalyst Approach

يعد التلوث البيئي تحدياً مستمراً، حيث غالباً ما يترك وراءه مواد كيميائية سامة في التربة والمياه يصعب إزالتها باستخدام طرق التنظيف التقليدية. ويمكن لتقنيات التنظيف الفيزيائية والكيميائية التقليدية أحياناً أن تخلق مشكلات جديدة أو تفشل في تفكيك الملوثات المعقدة تماماً. ومع ذلك، تقدم الطبيعة مساراً مختلفاً من خلال المعالجة الحيوية، وهي عملية تُستخدم فيها الكائنات الحية أو أدواتها البيولوجية لتفكيك المواد الخطرة إلى مركبات غير ضارة. ومن بين العديد من الأدوات البيولوجية المتاحة، حظيت مجموعة معينة من الإنزيمات تسمى "البيروكسيداز" باهتمام كبير. تعمل هذه الإنزيمات مثل مقصات جزيئية، قادرة على تقطيع مجموعة واسعة من الملوثات الخطيرة، بما في ذلك الأصباغ الصناعية والفينولات السامة، عندما تكون موجودة مع بيروكسيد الهيدروجين. وبينما تنتج النباتات والحيوانات هذه الإنزيمات، توفر الميكروبات ميزة متميزة: إذ يمكن زراعتها بسهء بكميات كبيرة، وغالباً ما تكون أكثر قوة في الظروف القاسية، ويمكن هندستها لإنتاج عوائد أعلى. ويبحث المجتمع العلمي باستمرار عن مصادر ميكروبية جديدة وفعالة لهذه الإنزيمات للمساعدة في تنظيف البيئات الملوثة بشكل أكثر فعالية.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون للعثور على مثل هذا المصدر من خلال البحث في تربة منطقة صناعية كثيفة في أحمد آباد، الهند. فقد جمعوا عينات من منطقة مؤسسة غوجارات للتنمية الصناعية، وهو موقع معروف بالنشاط الصناعي، آملين في العثور على بكتيريا تكيفت مع البيئة الملوثة وتنتج إنزيمات البيروكسيداز من أجل البقاء. ومن هذه العينات، عزلوا عشرات المستعمرات البكتيرية وفحصوها لقدرتها على إنتاج الإنزيم. تضمنت عملية الفحص إضافة خليط كيميائي محدد إلى البكتيريا؛ فإذا كانت البكتيريا تنتج البيروكسيداز، فإن الخليط سيتحول إلى لون بني محمر مميز. ومن بين العديد من العزلات التي تم اختبارها، برزت سلالة واحدة. أُطلق عليها اسم JBP20 وأظهرت أعلى مستوى من نشاط الإنزيم بين المجموعة. ومن خلال مزيج من الملاحظة المجهرية، والاختبار البيوكيميائي، والتحليل الجيني لحمضها النووي (DNA)، حدد الباحثون هذه البكتيريا على أنها Bacillus rugosa. وقد وُجد أن هذه السلالة المحددة ترتبط ارتباطاً وثيقاً بسلالة أخرى معروفة من نفس النوع، مما أكد هويتها.

بمجرد تحديد البكتيريا، ركز الفريق على فهم كيفية جعلها تنتج أكبر قدر ممكن من الإنزيم. بدأوا باختبار ظروف مختلفة واحداً تلو الآخر لمعرفة ما يؤثر على نتاج البكتيريا. واكتشفوا أن عمر المزرعة البكتيرية، وحجم العينة الأولية المضافة إلى وسط النمو، ودرجة حموضة أو قلوية البيئة، ودرجة الحرارة، كلها عوامل تلعب دوراً. أدت البكتيريا أداءها بشكل أفضل عند نموها في درجة حرارة 37 درجة مئوية وفي بيئة قلوية قليلاً ذات أس هيدروجيني (pH) يبلغ 8.0. ومن حيث الغذاء، ازدهرت البكتيريا عندما تم تزويدها بالديكستروز كمصدر للكربون والبيبتون كمصدر للنيتروجين. ومن خلال ضبط هذه العوامل، تمكن الباحثون من زيادة إنتاج الإنزيم بشكل كبير مقارنة بالظروف القياسية.

ولضبط العملية بشكل أدق، استخدم الباحثون طريقة إحصائية سمحت لهم برؤية كيف تعمل هذه العوامل المختلفة معاً بدلاً من مجرد عملها بشكل منفصل. ساعدهم هذا النهج في رسم خرائط العلاقات المعقدة بين درجة الحرارة والأس الهيدروجيني ومستويات المغذيات. وأظهرت النتائج أن تركيز البيبتون ومستوى الأس الهيدروجيني كانا العاملين الأكثر حرجاً في دفع إنتاج الإنزيم. وكان النموذج الإحصي الذي طوروه دقيقاً للغاية، مما سمح لهم بالتنبؤ بأفضل الظروف بثقة كبيرة. وتحت هذه الظروف المثالية، ارتفع نشاط الإنزيم إلى 0.38 وحدة لكل ميليلتر، وهو تحسن كبير عن النتائج الأولية.

لم تتوقف الدراسة عند نمو البكتيريا فحسب، بل قام الباحثون أيضاً بتحسين الظروف التي يعمل فيها الإنزيم نفسه. فقد اختبروا كميات مختلفة من الإنزيم، ودرجة حرارة التفاعل، وتركيزات المواد الكيميائية اللازمة لعمل الإنزيم. ووجدوا أن الإنزيم يعمل بشكل أفضل مع كمية محددة من مادة تسمى "أورثو-فينيلين ديامين" وحجم دقيق من بيروكسيد الهيدروجين. ومن المثير للاهتمام، اكتشفوا أيضاً أن وجود أيونات الحديد يعزز نشاط الإنزيم بشكل كبير، مما يشير إلى أن الحديد يعمل كـ "مساعد مفيد" لوظيفة الإنزيم. ومع وضع هذه الظروف، وصل الإنزيم إلى ذروة أدائه.

تشير النتائج إلى أن Bacillus rugosa JBP20 هي مرشح واعد للاستخدام في المعالجة الحيوية. إن قدرة هذه البكتيريا على إنتاج مستويات عالية من البيروكسيداز، خاصة عند نموها في ظروف مثالية، تشير إلى أنها يمكن أن تكون أداة قيمة لتفكيك الملوثات البيئية. تسلط الدراسة الضوء على إمكانية استخدام الطرق الإحصائية لضبط العمليات البيولوجية بدقة، والانتقال لما هو أبعد من مجرد التجربة والخطأ لتحقيق كفاءة أعلى بكثير. وبينما تؤكد الأبحاث إمكانات هذه السلالة البكتيرية المحددة، يشير المؤلفون إلى أن العمل المستقبلي سيركز على تنقية الإنزيم واختبار تطبيقه الفعلي في تنظيف المواقع الملوثة. إن الرحلة من عينة تربة ملوثة إلى محفز ميكروبي مُحسَّن للغاية تجسد خطوة عملية نحو استراتيجيات تنظيف بيئي أكثر استدامة وفعالية.