علمی، پژوهشی و فناوری

جایگزینی پایدار برای سوخت‌های فسیلی با مهندسی ژنتیکی درختان

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : این درختان اصلاح شده زیستی دارای زیست‌توده‌ای با قابلیت تبدیل به سوخت‌های پایدار هستند و تولید کربن کمتری دارند. این نوآوری می‌تواند راه‌‎حلی پایدار برای کاهش انتشار کربن باشد.

این نوآوری توسط دانشمندان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی کشف شده است و نشان می‌دهد که چگونه با استفاده از فناوری CRISPR می‌توان درختان را تغییر داد تا برای تخمیر میکروبی به منظور تولید مواد شیمیایی به صورت پایدار، مناسب باشند.

 این پیشرفت می‌تواند نیاز به مواد شیمیایی مبتنی بر نفت را تغییر دهد و یک جایگزین سبزتر و اقتصادی‌تر که برای محیط زیست نیز مناسب است، ارائه کند.

 درختان یکی از منابع طبیعی فراوان روی زمین هستند و این محققان به دنبال استفاده از آنها به عنوان جایگزین‌های پایدار و دوستدار محیط زیست برای تولید مواد شیمیایی صنعتی هستند.

در مسیر جایگزینی سوخت‌های فسیلی از درختان، لیگنین یکی از چالش‌های اصلی می‌باشد، که پلیمری است که درختان را قوی و مقاوم به پوسیدگی می‌کند. پژوهشگران دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی اکنون دریافته‌اند که چرا در این حد کار کردن با لیگنین دشوار است.

این دانشمندان یک ویژگی مولکولی به نام محتوای متوکسی لیگنین را شناسایی کرده‌اند، که نشان می‌دهد تخمیر میکروبی چه آسان می‌تواند درختان و گیاهان را تجزیه کند تا مواد شیمیایی صنعتی تولید نماید.

تکنیک‌های پیشرفته تخمیر میکروبی

رابرت کلی،‌ محقق ارشد این مطالعه اعلام کرد: «این یافته‌ها ما را یک قدم به تولید مواد شیمیایی صنعتی از درختان به‌ عنوان یک جایگزین اقتصادی و پایدار برای مواد شیمیایی مشتق از نفت نزدیک‌تر می‌کند.»

مقاله‌ای در این باره در مجله Science Advances منتشر شده است.

 گروه کلی در گذشته اثبات کرده بودند که برخی باکتری‌های گرمادوست افراطی که در مکان‌هایی مانند چشمه‌های آب گرم پارک ملی یلواستون زندگی می‌کنند، می‌توانند سلولز درختان را تجزیه نمایند، اما به میزان زیاد نیست. به عبارت دیگر، به حدی نیست که از نظر اقتصادی و محیط‌ زیستی برای تولید مواد شیمیایی صنعتی منطقی باشد.

کلی در این باره گفت: «معلوم شد که فقط مشکل کم بودن لیگنین نیست.»

پیشرفت ژنتیکی با CRISPR

 برای مقابله با مشکل لیگنین بالا در درختان، کلی بیش از ۱۰ سال با دانشمند دیگری به نام جک وانگ همکاری کرده است.

همان‌طور که در مجله Science در سال ۲۰۲۳ گزارش شده است، وانگ و همکاران او از فناوری ویرایش ژنوم CRISPR برای ایجاد درختان صنوبر با محتوای لیگنین و ترکیب اصلاح شده استفاده کردند.

آنها روی درختان صنوبر تمرکز کردند، چرا که این درختان سریع رشد می‌کنند، نیاز به استفاده حداقلی از آفت‌کش‌ها دارند و در زمین‌های حاشیه‌ای که سخت می‌توان محصولات غذایی در آنها پرورش داد، رشد می‌کنند.

ترجیحات میکروبی و آزمایش‌های ژنتیکی

گروه کلی به این نتیجه رسیدند که برخی، اما نه همه، از این درختان اصلاح شده با CRISPR برای تجزیه و تخمیر میکروبی خوب عمل می‌کنند. معلوم شد که این باکتری‌ها تمایلات متفاوتی برای انواع مختلف گیاهان دارند.

رایان بینگ، یکی از اعضای تیم تحقیقات گفت: «ما می‌توانیم از توانایی برخی باکتری‌های گرمادوست از چشمه‌های آب گرم در مکان‌هایی مانند پارک ملی یلواستون برای خوردن ماده گیاهی و تبدیل آن به محصولات مورد نظر استفاده کنیم. اگرچه این باکتری‌ها تمایلات متفاوتی برای انواع مختلف گیاهان دارند.»

نقش کلیدی محتوای متوکسی

در یک مطالعه، کلی و بینگ آزمایش کردند که چگونه باکتری مهندسی شده‌ای به نام Anaerocellum bescii که از چشمه‌های آب گرم در کامچاتکا در روسیه، جدا شده است، درختان صنوبر مهندسی شده توسط وانگ با محتوای لیگنین و ترکیب متفاوت را تجزیه می‌کند.

پژوهشگران دریافتند که هر چه محتوای متوکسی لیگنین درخت کمتر باشد، تجزیه‌پذیری آن بیشتر است. محتوای متوکسی کم به احتمال زیاد سلولز را برای باکتری‌ها در دسترس‌تر می‌کند.

جایگزینی سوخت‌های فسیلی و پیامدهای تولید تجاری

وانگ، درختان صنوبر با لیگنین کم را برای کاغذسازی و سایر محصولات فیبری بهتر ایجاد کرده بود، اما پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهد که صنوبرهای مهندسی شده با محتوای کم لیگنین و محتوای متوکسی کم برای تولید مواد شیمیایی از طریق تخمیر میکروبی بهترین گزینه هستند.

درختان صنوبر مهندسی شده وانگ در گلخانه خوب رشد می‌کنند، اما نتایج از آزمایش‌های میدانی هنوز در دست نیست. گروه کلی در گذشته نشان داده بود که درختان صنوبر با لیگنین کم می‌توانند به مواد شیمیایی صنعتی مانند: استون و گاز هیدروژن تبدیل شوند، که نتایج اقتصادی مطلوب و تأثیرات زیست‌محیطی کمی دارند.

کلی بیان کرد: «اگر این درختان در میدان مقاومت کنند و ما به تحقیقات خود ادامه دهیم، میکروب‌هایی خواهیم داشت که مقادیر زیادی مواد شیمیایی از درختان صنوبر تولید می‌کنند و تمام اینها به لطف محتوای متوکسی است.»

آینده و مزایای زیست‌ محیطی

این یافته‌ها به پژوهشگرانی مانند وانگ یک هدف خاص برای تولید خطوط صنوبر مناسب برای تولید مواد شیمیایی می‌دهد. وانگ و همکاران او به تازگی آزمایش‌های میدانی درختان صنوبر پیشرفته با لیگنین اصلاح شده را آغاز کرده‌اند.

در حال حاضر، تولید مواد شیمیایی از درختان به روش‌های سنتی یعنی خرد کردن چوب به قطعات کوچک‌تر و سپس استفاده از مواد شیمیایی و آنزیم‌ها برای پیش‌تصفیه آن برای فرآوری بیشتر، قابل انجام است.

استفاده از میکروب‌های مهندسی شده برای تجزیه لیگنین مزایایی از جمله نیاز کمتر به انرژی و تأثیر زیست‌محیطی کمتر را به همراه دارد.

جایگزینی سوخت‌های فسیلی و پتانسیل صنعتی

آنزیم‌ها می‌توانند برای تجزیه سلولز به قندهای ساده استفاده شوند، اما آنها باید به طور مداوم به فرایند اضافه شوند. از طرف دیگر، برخی میکروارگانیسم‌ها به‌ طور مداوم آنزیم‌های کلیدی را تولید می‌کنند، که فرایند میکروبی را اقتصادی‌تر می‌نماید.

کلی توضیح داد: «آنها همچنین می‌توانند کار بهتری نسبت به آنزیم‌ها و مواد شیمیایی انجام دهند. آنها نه تنها سلولز را تجزیه می‌کنند بلکه آن را به محصولاتی مانند اتانول تخمیر می‌نمایند و تمام این کارها را در یک مرحله انجام می‌دهند.»

وی تصریح کرد: «دمای بالایی که این باکتری‌ها در آن رشد می‌کنند نیز نیاز به کار در شرایط استریل را از بین می‌برد. یعنی فرایند تبدیل درختان به مواد شیمیایی می‌تواند مانند یک فرایند صنعتی معمولی عمل کند و احتمال پذیرش آن را افزایش دهد.»

مقابله با تغییرات اقلیمی از طریق راه‌حل‌های زیست‌شناسی
 دنیل سولیس، یکی دیگر از محققان این مطالعه گفت: «فاجعه‌های زیست‌محیطی ناشی از تغییرات اقلیمی نیاز فوری به انجام تحقیقاتی که راه‌هایی برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی پیدا کنند را نشان می‌دهد.»

وی عنوان کرد: «یک راه‌حل امیدوارکننده در استفاده از درختان برای برآورده کردن نیازهای جامعه به مواد شیمیایی، سوخت‌ها و محصولات زیستی دیگر و در عین حال حفاظت از سیاره و رفاه انسان‌ها نهفته است. این یافته‌ها نه تنها زمینه را به جلو می‌برند، بلکه پایه‌های نوآوری‌های بیشتر در استفاده از درختان برای کاربردهای زیستی پایدار را نیز بنا می‌کنند.»