מדענים הראו טכנולוגיה חדשה שבה חיידקים ביו-מהנדסים יכולים לייצר כימיקלים/פולימרים חסכוניים מתחדשים צמח מקורות
ליגנין הוא חומר המהווה מרכיב בדופן התא של כל צמחי האדמה היבשים. זהו הפולימר הטבעי השני בשכיחותו אחרי תאית. חומר זה הוא הפולימר היחיד שנמצא בצמחים שאינו מורכב מפחמימות (סוכר) מונומרים. ביופולימרים של ליגנוצלולוזה מספקים צורה, יציבות, חוזק וקשיחות לצמחים. הביופולימרים של ליגנוצלולוזה מורכבים משלושה מרכיבים עיקריים: תאית והמיצלולוזה יוצרים מסגרת שבה הליגנין משולב כמעין מחבר ובכך מגבש את דופן התא. הליית דופן התא הופכת את הצמחים לעמידים בפני רוח ומזיקים ומסייעת להם להירקב. לגנין הוא משאב אנרגיה מתחדש עצום אך לא מנוצל מאוד. לגנין המייצג עד 30 אחוז מהביומסה של הליגנוצלולוזה הוא אוצר בלתי מנוצל - לפחות מנקודת מבט כימית. התעשייה הכימית תלויה בעיקר בתרכובות פחמן ליצירת מוצרים שונים כמו צבע, סיבים מלאכותיים, דשנים והכי חשוב פלסטיק. תעשייה זו אכן משתמשת במשאבים מתחדשים כמו שמן צמחי, עמילן, תאית וכו', אך היא מהווה רק 13 אחוז מכלל התרכובות.
ליגנין, חלופה מבטיחה לנפט לייצור מוצרים
למעשה, ליגנין הוא המקור האחד והיחיד לחומר מתחדש על פני כדור הארץ המכיל מספר רב של תרכובות ארומטיות. יש לכך חשיבות מכיוון שתרכובות ארומטיות מופקות בדרך כלל ממקור נפט שאינו מתחדש ולאחר מכן משמשות לייצור פלסטיק, צבעים וכו'. לפיכך, הפוטנציאל של ליגנין גבוה מאוד. בהשוואה לנפט שהוא דלק מאובנים שאינו מתחדש, ליגנוצלולוזים מופקים מ עץ, קש או מיסקנתוס שהם מקורות מתחדשים. לגנין ניתן לגדל בשדות וביערות והם בדרך כלל ניטרליים כלפי האקלים. Lignocelluloses נחשבת כחלופה רצינית לנפט בעשורים האחרונים. הנפט מניע את התעשייה הכימית כיום. נפט הוא חומר גלם לכימיקלים בסיסיים רבים המשמשים לאחר מכן לייצור מוצרים שימושיים. אבל נפט הוא מקור לא מתחדש והוא הולך ומתמעט, ולכן יש להתמקד במציאת מקורות מתחדשים. זה מכניס את ליגנין לתמונה כפי שנראה כחלופה מבטיחה מאוד.
הליגנין מלא באנרגיה גבוהה אך שליפת אנרגיה זו היא מסובכת ותהליך יקר ולכן אפילו דלק ביולוגי שנוצר כתוצאה מכך הוא בדרך כלל גבוה מאוד בעלות ואינו יכול להחליף כלכלית "אנרגיה תחבורה" הנמצאת בשימוש כיום. גישות רבות נחקרו לפיתוח דרכים חסכוניות לפירוק ליגנין והמרתו לכימיקלים יקרי ערך. עם זאת, מספר מגבלות הגבילו את ההמרה של חומר צמח מגע כמו ליגנין לשימוש כמקור אנרגיה חלופי או אפילו לנסות להפוך אותו לחסכוני יותר. מחקר שנערך לאחרונה הנדס בהצלחה חיידקים (E. Coli) כך שיפעלו כמפעל תאי המרה ביולוגית יעיל ופרודוקטיבי. בַּקטֶרִיָה גדלים ומתרבים מהר מאוד והם מסוגלים לעמוד בתהליכים תעשייתיים קשים. מידע זה שולב עם הבנה של מפרקי ליגנין זמינים באופן טבעי. העבודה פורסמה ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדע ארה"ב.
צוות החוקרים בראשות ד"ר סימה סינג במעבדות הלאומיות של Sandia פתר שלוש בעיות עיקריות שנתקלים בהן בהפיכת ליגנין לכימיקלים בפלטפורמה. המכשול העיקרי הראשון הוא זה בקטריה E.Coli בדרך כלל אינו מייצר את האנזימים הדרושים להמרה. מדענים נוטים לפתור בעיה זו של ייצור אנזימים על ידי הוספת "משרה" לטבעת התסיסה. מעוררים אלו יעילים אך יקרים מאוד ולכן אינם מתאימים היטב לרעיון של בתי זיקוק. חוקרים ניסו רעיון שבו נעשה שימוש בתרכובת שמקורה בליגנין כמו וניל כמצע וגם כמשרה על ידי הנדסת בקטריה אי - קולי. זה יעקוף את הצורך במשרה יקרה. אם כי, כפי שגילתה הקבוצה, וניל לא היה בחירה טובה במיוחד מכיוון שברגע שליגנין מתפרק, הווניל מיוצר בכמויות גדולות והוא מתחיל לעכב את תפקוד ה-E.Coli כלומר וניל מתחיל ליצור רעילות. אבל זה עבד לטובתם כשהם הנדסו את בקטריה. בתרחיש החדש, הכימיקל עצמו רעיל ל-E.Coli משמש כדי להתחיל את התהליך המורכב של "וולוריזציה של ליגנין". ברגע וניל נוכח, הוא מפעיל את האנזימים וחיידקים מתחילים להמיר ונילין לקטכול, שהוא הכימיקל הרצוי. כמו כן, כמות הונילין לעולם אינה מגיעה לרמת הרעיל מכיוון שהיא מקבלת ויסות אוטומטי במערכת הנוכחית. הבעיה השלישית והאחרונה הייתה של היעילות. מערכת ההמרה הייתה איטית ופסיבית, ולכן החוקרים בדקו מעבירים יעילים יותר מחיידקים אחרים והנדסו אותם ל-E. Coli אשר לאחר מכן עקבו אחר התהליך במהירות. התגברות על בעיות רעילות ויעילות על ידי פתרונות חדשניים כאלה יכולה לעזור להפוך את ייצור הדלק הביולוגי לתהליך חסכוני יותר. כמו כן, הסרה של גורם מעורר חיצוני יחד עם שילוב של ויסות אוטומטי יכולים לייעל עוד יותר את תהליך ייצור הדלק הביולוגי.
ידוע היטב שברגע שהליגנין מתפרק, יש לו את היכולת לספק או ליתר דיוק "להעניק" כימיקלים יקרי ערך לפלטפורמה, אשר לאחר מכן ניתן להמיר לניילון, פלסטיק, תרופות ומוצרים חשובים אחרים המופקים כיום מנפט, חומר שאינו -מקור אנרגיה מתחדש. מחקר זה רלוונטי בהיותו צעד לקראת מחקר ופיתוח פתרונות חסכוניים עבור דלק ביולוגי וייצור ביולוגי. באמצעות טכנולוגיית ביו-הנדסה נוכל לייצר כמויות גדולות יותר של כימיקלים לפלטפורמה ועוד כמה מוצרי קצה חדשים, לא רק עם E.Coli חיידקי אלא גם עם מארחים מיקרוביאליים אחרים. המחקר העתידי של המחברים יתמקד בהדגמת ייצור חסכוני של מוצרים אלה. למחקר זה יש השפעה עצומה על תהליכי ייצור אנרגיה והרחבת מגוון האפשרויות למוצרים ירוקים. המחברים מעירים כי בעתיד הקרוב ליגנוצלולוזה בהחלט צריכה להשלים את הנפט אם לא להחליף אותו.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
Wu W et al. 2018. לקראת הנדסת E. coli עם מערכת רגולטורית אוטומטית לוולוריזציה של ליגנין', PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
