Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

لطالما كان إنتاج بلاستيك يتحلل طبيعياً في البيئة هدفاً يسعى إليه العلماء سعياً لاستبدال المواد المستمرة التي تسد مكبات النفايات والمحيطات. ومن بين أكثر المرشحين واعداً عائلة من البلاستيك القابل للتحلل الحيوي تسمى بولي هيدروكسي ألكانوات، أو PHAs. هذه ليست مواد كيميائية اصطناعية تُصنع في المختبر، بل هي مواد تخزين طبيعية تنتجها أنواع معينة من البكتيريا عندما يتوفر لديها من الغذاء أكثر مما تحتاجه. فكر في هذه البكتيريا كأنها مصانع صغيرة تخزن الطاقة على شكل حبيبات بلاستيكية داخل خلاياها. وتعتمد خصائص البلاستيك الناتج بشكل كبير على وحدات البناء، أو المونومرات، التي تشكل السلسلة؛ حيث تخلق وحدات البناء القصيرة مادة صلبة وهشة تنكسر بسهء، بينما تضفي الوحدات الأطول مرونة وتمدداً، مما يجعل البلاستيك أقرب إلى المطاط. ولعقود من الزمن، كافح الباحثون لجعل البيريا الأكثر كفاءة تنتج هذه الوحدات الأطول والأكثر مرونة، مما حد من نطاق تطبيقات هذه المواد الصديقة للبيئة.

لقد حقق فريق من الباحثين في الوكالة الوطنية لتنمية العلوم والتكنولوجيا في تايلاند خطوة كبيرة للأمام في حل هذه المشكلة. فقد عملوا مع نوع معروف من البكتيريا يسمى Cupriavidus necator، المشهورة بقدرتها على تحويل مختلف المنتجات الثانوية إلى بلاستيك. ومع ذلك، فإن هذه البكتيريا الأصلية تنتج طبيعياً فقط الوحدات القصيرة الهشة. ولتغيير ذلك، قام العلماء بهندسة البكتيريا عن طريق إضافة جين محدد من نوع آخر من البكتيريا، وهو Pseudomonas putida، المعروف بقدرته على تجميع الوحدات الأطول والأكثر مرونة. هذا التعديل الجيني أدى إلى إنشاء سلالة جديدة، أطلق عليها الباحثون اسم mcl-C19. وعندما تم إطعام هذه السلالة الجديدة خليطاً من المولاس وزيت الطهي المستخدم، بدأت في إنتاج بلاستيك هجين يحتوي على كل من الوحدات القصيرة الصلبة والوحدات الأطول المرنة. وقد نتج عن هذا المزيج مادة ذات نطاق أوسع من الخصائص، مما قد يجعلها مفيدة للعديد من التطبيقات الأخرى مقارنة بالنسخ الهشة التي تنتجها البكتيريا الأصلية.

لم يتوقف الباحثون عند مجرد إنشاء السلالة الجديدة، بل طوروا أيضاً استراتيجية تغذية محددة لتعظيم الإنتاج. تحتاج البكتيريا إلى نظام غذائي متوازن لنمو خلاياها، لكنها تبدأ في تخزين البلاستيك فقط عندما تُحرم من بعض العناصر الغذائية مع بقاء وفرة في الكربون. وللاستفضاء من ذلك، استخدم الفريق عملية مكونة من مرحلتين؛ ففي المرحلة الأولى، أطعموا البكتيريا خليطاً غنياً بالمغذيات لمساعدتها على التكاثر بسرعة وبناء عدد كبير من الخلايا. وبمجرد ارتفاع عدد السكان، انتقلوا إلى المرحلة الثانية، حيث أضافوا نبضات من الغذاء الغني بالكربون - وتحديداً المولاس وزيت النخيل المستخدم - دون إضافة نيتروجين إضافي. خلق هذا بيئة غير متوازنة أجبرت البكتيريا على توجيه طاقتها نحو صنع البلاستيك بدلاً من نمو خلايا جديدة. ومن خلال التحكم الدقيق في هذه العملية في خزان كبير، راكمت البكتيريا المهندسة كمية هائلة من البلاستيك، لتصل إلى تركيز 13 جراماً لكل لتر، وهو ما يمثل ما يقرب من نصف الوزن الإجمالي للخلايا.

إن ما يجعل هذا الإنجاز لافتاً للنظر بشكل خاص هو تنوع البلاستيك المنتج. فلم تنتج البكتيريا المهندسة نوعاً واحداً من الوحدات الطويلة فحسب، بل أنتجت خليطاً معقداً يحتوي على ستة أنواع مختلفة من وحدات البناء، تتراوح من سلاسل قصيرة من أربع ذرات كربون إلى سلاسل أطول من عشر ذرات. وقد تغير مزيج هذه الوحدات بناءً على كيفية إطعام البكتيريا؛ فعندما استخدم الباحثون عملية دفع بسيطة حيث تُضاف جميع المكونات دفعة واحدة، كان للبلاستيك تركيبة معينة، وعندما استخدموا طريقة التغذية بالنبضات المكونة من مرحلتين، تغيرت نسب الوحدات المختلفة. ويشير هذا إلى أن العلماء يمكنهم ضبط الخصائص الفيزيائية للبلاستيك - بجعله أكثر صلابة أو أكثر تمدداً - ببساطة عن طريق تعديل جدول التغذية ونوع النفايات الغذائية المستخدمة. وقد أكدت الدراسة أن استخدام خليط من المولاس وزيت النخيل المستخدم كان الطريقة الأكثر فعالية لتوليد وحدات البناء ذات السلاسل الطويلة المطلوبة، حيث أنتجت السلالة الجديدة أربعة أضعاف المكونات المرنة التي كانت تنتجها السلالة الأصلية غير المعدلة.

كما أظهر العمل أيضاً أن هذه العملية يمكن رفع مستواها من الدوارق الصغيرة إلى المفاعلات الحيوية الصناعية الكبيرة دون فقدان الكفاءة. وكانت النتائج في خزان بسعة لترين مطابقة تقريباً لتلك التي تم الحصول عليها في الحاويات الأصغر، مما يشير إلى أن الطريقة قوية بما يكفي للإنتاج على نطوح أكبر. وبينما كانت كمية البلاستيك المنتجة عالية، لاحظ الباحثون أنه لا يزال من الممكن تحسين النسبة المئوية لوزن الخلايا التي يشكلها البلاستيك. وقد أقروا بأن المزيد من التعديلات الجينية قد تكون مطلوبة لدفع البكتيريا إلى تحويل المزيد من مواردها إلى بلاستيك بدلاً من المكونات الخلوية الأخرى. ومع ذلك، تظهر النتائج الحالية أنه من خلال الجمع بين تغيير جيني بسيط واستراتيجية تغذية ذكية، من الممكن تحويل المواد العادمة الشائعة إلى بلاستيك حيوي متعدد الاستخدامات وذو خصائص يمكن تفصيلها لتلبية احتياجات محددة. ويقدم هذا النهج مساراً عملياً نحو اقتصاد قائم على المواد الحيوية يعتمد إنتاج البلاستيك فيه على موارد متجددة وينتج مواد يمكن أن تعود بأمان إلى البيئة.