Stepwise utilization of H2 between Geobacter sulfurreducens and Methanosarcina barkeri promoted CO2-to-CH4 conversion
*Geobacter sulfurreducens* और *Methanosarcina barkeri* के बीच एक सिंट्रॉफिक सह-संवर्धन (syntrophic co-culture) स्थापित करना स्टेपवाइज H₂ उपयोग, अपरेगुलेटेड चयापचय मार्गों (metabolic pathways), और फुलविक एसिड जैसी वस्तुओं द्वारा मध्यस्थता वाले अंतर-प्रजाति इलेक्ट्रॉन परिवहन के माध्यम से द्रव्यमान स्थानांतरण सीमाओं को पार करके CO₂-से-CH₄ रूपांतरण दरों को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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हमारे ऊर्जा भविष्य को स्वच्छ बनाने की खोज में, वैज्ञानिक अपशिष्ट कार्बन डाइऑक्साइड को उपयोगी ईंधन में बदलने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं। एक आशाजनक विधि में बायोमेथेनेशन नामक प्रक्रिया शामिल है, जहाँ सूक्ष्म जीव जैविक कारखानों के रूप में कार्य करते हैं। वे कार्बन डाइऑक्साइड, जो एक ग्रीनहाउस गैस है, को हाइड्रोजन गैस के साथ मिलाकर मीथेन बनाते हैं, जो प्राकृतिक गैस का मुख्य घटक है। यह इसलिए आकर्षक है क्योंकि हाइड्रोजन का उत्पादन पवन या सौर ऊर्जा से उत्पन्न अतिरिक्त बिजली से किया जा सकता है, जिससे नवीकरणीय ऊर्जा को प्रभावी रूप से एक ऐसी गैस के रूप में संग्रहीत किया जा सकता है जिसे जलाया जा सकता है या मौजूदा पाइपलाइनों में डाला जा सकता है। हालाँकि, इस प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण बाधा है। हाइड्रोजन गैस पानी में आसानी से नहीं घुलती है, और जो सूक्ष्मजीव यह कार्य करते हैं वे तरल वातावरण में रहते हैं। क्योंकि गैस को हवा के बुलबुलों से उस तरल में जाने में संघर्ष करना पड़ता है जहाँ सूक्ष्मजीव उसे पकड़ सकें, इसलिए पूरी प्रतिक्रिया अक्सर बड़े पैमाने पर व्यावहारिक होने के लिए बहुत धीमी हो जाती है।
इसे हल करने के लिए, झेजियांग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग प्रकार के सूक्ष्मजीवों के बीच एक साझेदारी की जांच की: जियोबैक्टर सल्फरेडेंस (Geobacter sulfurreducens) नामक एक जीवाणु और मेथानोसार्किना बार्करी (Methanosarcina barkeri) नामक एक आर्कियन। जबकि M. barkeri एक ज्ञात मीथेन उत्पादक है जो सामान्यतः सीधे हाइड्रोजन को खाता है, वैज्ञानिकों ने सोचा कि क्या G. sulfurreducens को जोड़ने से इस प्रक्रिया को तेज करने में मदद मिल सकती है। यह जीवाणु इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है, जो अनिवार्य रूप से एक जैविक तार के रूप में कार्य करता है। टीम ने यह देखने के लिए प्रयोग किया कि क्या ये दोनों जीव गैस के तरल में घुलने की धीमी प्रक्रिया को दरकिनार करने के लिए एक शॉर्टकट बना सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने दो जीवों को पोषक तत्वों वाले शोरबे (न्यूट्रिएंट ब्रोथ) से भरे सीलबंद कंटेनरों में मिलाया और फिर तरल के माध्यम से हाइड्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड गैस के मिश्रण को प्रवाहित किया। उन्होंने इस मिश्रित समूह की तुलना केवल मीथेन पैदा करने वाले आर्कियन वाले नियंत्रण समूह से की। परिणाम चौंकाने वाले थे। मिश्रित संस्कृति ने हाइड्रोजन गैस का बहुत तेजी से उपभोग किया, जिसने चार दिनों में ही इसे पूरी तरह से उपयोग कर लिया, जबकि अकेले आर्कियन को समान मात्रा को समाप्त करने में आठ दिन लगे। इस गति में वृद्धि सीधे मीथेन उत्पादन में परिवर्तित हुई। मिश्रित संस्कृति ने 0.15в मिलीलीटर प्रति मिलीलीटर फीडस्टॉक हाइड्रोजन प्रति दिन की दर से मीथेन का उत्पादन किया, जो अकेले काम करने वाले आर्कियन की तुलना में तीन गुना से भी अधिक तेज था। इसके अलावा, मिश्रित संस्कृति ने मीथेन उत्पादन जल्दी शुरू किया और एकल-प्रजाति समूह की तुलना में लगभग आधे दिन पहले अपने चरम स्तर पर पहुँच गई।
यह समझने के लिए कि यह साझेदारी कैसे काम करती है, टीम ने कोशिकाओं और उनके द्वारा छोड़े गए रसायनों का बारीकी से अध्ययन किया। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि दोनों प्रकार की कोशिकाएं एक-दूसरे के बहुत करीब रह रही थीं, जो एक घनिष्ठ भौतिक संबंध का सुझाव देती हैं। उन्होंने उन चिपचिपे पदार्थों का भी विश्लेषण किया, जिन्हें एक्स्ट्रासेलुलर पॉलिमर (extracellular polymers) कहा जाता है, जो सूक्ष्मजीव खुद को बचाने और संवाद करने के लिए स्रावित करते हैं। मिश्रित संस्कृति में, इन पदार्थों में विशिष्ट यौगिकों का उच्च स्तर था जो इलेक्ट्रॉन शटल (electron shuttles) के रूप में कार्य करते हैं। ये यौगिक, जो मिट्टी में पाए जाने वाले प्राकृतिक कार्बनिक पदार्थों के समान हैं, एक जीव से इलेक्ट्रॉन ले सकते हैं और दूसरे को पास कर सकते हैं। इस निष्कर्ष ने सुझाव दिया कि बैक्टीरिया केवल एक-दूसरे के पास बैठे नहीं थे; वे वास्तव में इन रासायनिक पुलों के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों का व्यापार कर रहे थे, जिससे आर्कियन को मीथेन बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्राप्त करने के लिए हाइड्रोजन गैस के धीरे-धीरे पानी में घुलने का इंतजार करने की आवश्यकता नहीं पड़ी।
गहराई से जांच करते हुए, वैज्ञानिकों ने कोशिकाओं के भीतर प्रोटीन की जांच की कि कौन से जेनेटिक स्विच चालू या बंद थे। आर्कियन में, मीथेन बनाने के अंतिम चरण के लिए जिम्मेदार प्रोटीन सामान्य से अधिक सक्रिय थे। साथ ही, वह मशीनरी जो आमतौर पर सीधे हाइड्रोजन को पकड़ती है, कम सक्रिय थी। यह इंगित करता है कि आर्कियन केवल हाइड्रोजन खाने की अपनी क्षमता पर निर्भर नहीं था। इसके बजाय, उसे रासायनिक पुलों के माध्यम से बैक्टीरिया से इलेक्ट्रॉन प्राप्त हो रहे थे। बदले में, बैक्टीरिया अपने विशेष हाइड्रोजन-खाने वाले एंजाइमों का उपयोग करके हाइड्रोजन गैस को तोड़ने और परिणामी इलेक्ट्रॉनों को आगे बढ़ाने का काम कर रहा था। इस श्रम विभाजन ने एक अधिक कुशल प्रणाली बनाई जहाँ बैक्टीरिया ने गैस को पकड़ने का कठिन कार्य संभाला, और आर्कियन ने ऊर्जा को मीथेन में बदलने पर ध्यान केंद्रित किया।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह जैविक तालमेल पानी में गैस घुलने की भौतिक सीमाओं को पार करने का एक टिकाऊ तरीका प्रदान करता है। बैक्टीरिया को मीथेन उत्पादक तक सीधे इलेक्ट्रॉन पहुँचाने के लिए एक सेतु के रूप में कार्य करने देकर, यह प्रक्रिया काफी तेज और अधिक कुशल हो जाती है। हालांकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उन्हें अभी भी इस बारे में और अधिक जानने की आवश्यकता है कि आर्कियन इन इलेक्ट्रॉनों को वास्तव में कैसे प्राप्त करता है, लेकिन साक्ष्य स्पष्ट रूप से दिखाते हैं कि यह सह-संवर्धन (co-culture) विधि मीथेन उत्पादन की गति को बढ़ाती है। यह दृष्टिकोण अंततः नवीकरणीय प्राकृतिक गैस को स्वच्छ ऊर्जा के भंडारण और कार्बन उत्सर्जन को कम करने के लिए एक अधिक व्यवहार्य विकल्प बनाने में मदद कर सकता है, जिससे एक धीमी, कठिन रासायनिक प्रतिक्रिया को एक तीव्र, जैविक प्रक्रिया में बदला जा सकता है।
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