Engineering phosphate-controlled poly(3-hydroxybutyrate) production in Vibrio natriegens from renewable feedstocks

يعد التلوث البلاستيكي تحدياً حاسماً في عصرنا الحديث، حيث تتراكم مليارات الأطنان من المواد الاصطناعية في محيطاتنا ومكبات النفايات. وبينما تتميز هذه المواد بالمتانة والمنفعة، فإن استمرار وجودها يخلق عبئاً بيئياً هائلاً. وقد سعى العلماء منذ فترة طويلة لإيجاد حل في البلاستيك القابل للتحلل الحيوي، وتحديداً نوع يسمى بولي (3-هيدروكسي بوتيرات)، أو PHB. هذه المادة هي بوليستر طبيعي تنتجه البكتيريا لتخزين الطاقة، تماماً كما يخزن البشر الدهون. وخلافاً للبلاستيك المشتق من البترول، فإن PHB يتحلل تماماً في التربة ومياه البحر. ومع ذلك، كان تصنيعه على نطاق واسفيراً أمراً صعباً ومكلفاً؛ إذ تتطلب العملية عادةً تغذية البكتيريا بسكريات باهظة الثمن وإضافة محفزات كيميائية لإجبارها على التحول من النمو إلى صنع البلاستيك. هذه الخطوات ترفع التكاليف وتزيد من تعقيد عملية التصنيع، مما يمنع PHB من استبدال البلاستيك التقليدي.

لقد وجد باحثون في جامعة غرب أستراليا وجامعة فيينا طريقة لتجاوز هذه العقبات باستخدام بكتيريا بحرية سريعة النمو تسمى Vibrio natriegens. هذا الميكروب فريد من نوعه لأنه يمكنه النمو بسرعة مذهلة والازدهار في المياه المالحة، مما يسمح بالتخمير باستخدام مياه البحر بدلاً من المياه العذبة الثمينة. اكتشف الفريق أن هذه البكتيريا تتحول طبيعياً لصنع PHB عندما تنفد منها الفوسفات، وهي مغذيات شائعة توجد في التربة والمياه. ومن خلال تصميم عملية تستهلك فيها البكتيريا كل الفوسفات المتاح، ابتكر الباحثون نظاماً ذاتي التشغيل؛ حيث تنمو البكتيريا بسرعة طالما كانت الفوسفات موجودة، وفي اللحظة التي تنفد فيها، تبدأ تلقائياً في إنتاج البلاستيك دون الحاجة إلى محفزات كيميائية أو تدخل بشري. هذا النهج يحول "جوع" البكتيريا نفسه إلى آلية تحكم دقيقة للتصنيع.

بدأت رحلة هذا الاكتشاف بالحاجة إلى فهم ما الذي يحفز البكتيريا بالضبط لصنع PHB. وبينما تُعرف أنواع أخرى من البكتيريا بقدرتها على إنتاج هذا البلاستيك عند نقص النيتروجين أو الأكسجين، إلا أن القواعد الخاصة بـ V. natriegens لم تكن واضحة. ولحل هذه المعضلة، قام العلماء ببناء مستشعر ضوئي صغير داخل البكتيريا؛ حيث ربطوا جيناً مضيئاً بالقسم المحدد من الحمض النووي (DNA) الذي يتحكم في إنتاج PHB. وعندما تستشعر البكتيريا نقصاً في عنصر غذائي معين، يتم تفعيل الجين، فتبدأ البكتيريا في التوهج. اختبر الباحثون البكتيريا في بيئات ذات مستويات متفاوتة من الفوسفات والنيتروجين، وكانت النتائج واضحة: لم تتوهج البكتيريا إلا عندما كانت الفوسفات شحيحة، بينما لم تؤثر مستويات النيتروجين في الأمر. كان هذا اكتشافاً هاماً لأنه كشف عن نمط تنظيمي غير معروف سابقاً لهذا النوع، موضحاً أن نقص الفوسفات هو الإشارة المحددة التي تخبر البكتيريا بالتوقف عن النمو والبدء في تخزين الطاقة على شكل بلاستيك.

بعد تحديد هذا المحفز، انتقل الفريق لتحسين قدرة البكتيريا على إنتاج البلاستيك. قاموا بهندسة السلالة لحمل نسخ إضافية من الجينات الطبيعية المسؤولة عن صنع PHB، وذلك عبر إدخال مجموعات جينية إضافية في مواقع محددة من الحمض النووي للبكتيريا، واستبدال جينات أخرى لم تكن ضرورية للعملية. خدمت هذه الاستراتيجية غرضين: أولاً، زادت عدد التعليمات اللازمة لصنع البلاستيك، وثانياً، أزالت أجزاءً من آليات البكتيريا التي تهدر الطاقة في مهام غير ضرورية مثل بناء الأساطيب (flagella) أو الأغلفة الواقية. وكانت النتيجة سلالة تنتج ثلاثة أضعاف كمية PHB مقارنة بالبكتيريا الأصلية غير المعدلة عند تغذيتها بخلات (acetate)، وهو مركب بسيط ثنائي الكربون يمكن إنتاجه من غازات النفايات الصناعية أو ثاني أكسيد الكربون. هذا الانتقال من الأغذية القائمة على السكر مثل الجلوكوز نحو الخلات المشتقة من النفايات أمر بالغ الأهمية لجعل العملية مستدامة وفعالة من حيث التكلفة.

ولضمان إمكانية رفع نطاق هذه العملية بكفاءة، طور الباحثون نموذجاً رياضياً للتنبؤ بدقة بكمية الفوسفات التي يجب أن تكون في الخليط الأولي. كانوا يعلمون أنه إذا وُجدت كمية كبيرة جداً من الفوسفات، ستستمر البكتيريا في النمو ولن تبدأ أبداً في صنع البلاستيك، وإذا كانت الكمية قليلة جداً، فستموت البكتيريا جوعاً قبل أن تتمكن من بناء كتلة كافية لإنتاج كمية جيدة من البلاستيك. حسب النموذج التوازن المثالي، متنبئاً بتركيز أولي للفوسفات من شأنه أن يزيد إجمالي كمية البلاستيك المنتجة إلى أقصى حد. وعندما اختبر الفريق هذا التنبؤ في المختبر، تطابقت النتائج مع النموذج بشكل وثيق؛ حيث حققوا تركيزاً نهائياً قدره 0.123 جرام من PHB لكل لتر من المزرعة البكتيرية، حيث شكل البلاستيك 60.5% من الوزن الإجمالي للخلايا البكتيرية، وفي بعض الظروف، وصلت محتوى البكتيريا إلى 69.1% من وزن PHB.

تم اختبار تعدد استخدامات هذا النظام من خلال تغذية البكتيريا بأنواع مختلفة من الغذاء. جرب الباحثون الجلسرين، والسكسينات، وأنواعاً مختلفة من السكريات مثل الجلوكوز والفركتوز، بالإضافة إلى الخلات. وقد نجح محفز نقص الفوسفات مع جميع هذه المصادر. ورغم أن البكتيريا أنتجت أكبر كمية من البلاستيك عند تغذيتها بالفركتوز، إلا أن حقيقة عمل "المفتاح" عبر مجموعة متنوعة من المصادر الغذائية تعد ميزة كبرى؛ فهذا يعني أن المصنعين يمكنهم اختيار أرخص أو أكثر المصادر الكربونية استدامة المتوفرة في منطقتهم دون الحاجة إلى إعادة تصميم عملية الإنتاج بأكملها. فالبكتيريا ببساطة تستهلك الغذاء المتاح، وتنتظر نفاذ الفوسفات، ثم تحول الطاقة الزائدة إلى بلاستيك.

كانت إحدى الملاحظات الأكثر لفتاً للنظر هي كيفية تغير البكتيريا جسدياً خلال هذه العملية. فمع نفاذ الفوسفات وبدء تخزين PHB، تضخمت الخلايا بشكل ملحوظ، لتصبح أكبر بنحو ست مرات في الحجم عما كانت عليه في البادة. حدث هذا الانتفاخ حتى في البكتيريا التي لا تستطيع صنع PHB، مما يشير إلى أن نقص الفوسفات يسبب تغيراً عاماً في حجم الخلية منفصلاً عن عملية صنع البلاستيك نفسها. وبما أن الخلايا تصبح أكبر، فإن لديها مساحة داخلية أكبر لاستيعاب حبيبات البلاستيك، مما يساعد في تفسير ارتفاع محتوى المنتج النهائي. هذا التوسع الطبيعي، مقترناً بالمفتاح ذاتي التشغيل، يجعل النظام عالي الكفاءة دون الحاجة إلى هندسة معقدة لإيقاف انقسام الخلايا.

كما بحثت الدراسة فيما إذا كان بإمكان البكتيريا تفكيك البلاستيك الذي صنعته إذا أصبح الغذاء شحيحاً مرة أخرى، وهي عملية قد تكون غير مرغوب فيها في سياق الإنتاج. بحث الباحثون في جينوم البكتيريا عن جينات قد تعمل بمثابة "فريق تنظيف" لهضم البلاستيك، ووجدوا مرشحين وحذفواهم، ومع ذلك، قامت البكتيريا بتفكيك البلاستيك عند تعرضها لنقص الكربون. يشير هذا إلى أن V. natriegens تستخدم آلية لتفكيك PHB لا تزال غير مفهومة تماماً أو غير محددة في قواعد البيانات العلمية الحالية. وبينما يعني هذا أن البكتيريا قد تفقد جزءاً من منتجها إذا لم تتم إدارة العملية بعناية، إلا أنه يسلط الضوء أيضاً على وجود الكثير مما يمكن تعلمه حول بيولوجيا هذا الكائن.

في الختام، يوضح هذا البحث طريقة جديدة لإنتاج البلاستيك القابل للتحلل الحيوي باستخدام بكتيريا سريعة النمو ومتحملة للملوحة. فمن خلال الاعتماد على النقص الطبيعي للفوسفات لتحفيز الإنتاج، تلغي هذه العملية الحاجة إلى محفزات كيميائية باهظة الثمن وجداول تغذية معقدة. لقد أثبت الفريق أنه بمجرد ضبط الكمية الأولية للفوسفات في الماء، يمكنهم التحكم في توقيت تحول البكتيريا من النمو إلى صنع البلاستيك. هذا النظام المستقل، مقترناً بالقدرة على استخدام المواد الخام المشتقة من النفايات مثل الخلات، يقدم مساراً واعداً لجعل البلاستيك الحيوي صديقاً للبيئة ومجدياً اقتصادياً في آن واحد. إن هذا العمل يوفر مخططاً واضحاً لكيفية تسخير الغرائز الطبيعية للميكروبات لحل مشكلة بيئية عالمية، وتحويل مجرد نقص في المغذيات إلى أداة قوية للتصنيع المستدام.