ما اغلب برای حل بزرگ‌ترین مشکلات به کوچک‌ترین اشکال زندگی نگاه می‌کنیم. می‌کروب‌ها و باکتریها در تشکیل غذا‌ها و نوشیدنی‌ها، درمان بیماری‌ها، تجزیه زباله‌ها و حتی پاک‌سازی آلودگی نقش دارند.
مخمر‌ها و باکتریها می‌توانند قند‌های گیاهی را به سوخت‌های زیستی و مواد شیمیایی تبدیل کنند که به‌طور سنتی از سوخت‌های فسیلی به دست می‌آیند. سوخت فسیلی یکی از مؤلفه‌های کلیدی اکثر برنامه‌ها برای مقابله با تغییرات آب و هوایی محسوب می‌شود.
اکنون محققان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون باک‌تری‌هایی را مهندسی کرده‌اند که می‌توانند همزمان دو محصول شیمیایی را از الیاف گیاهی کم‌مصرف تشکیل دهند. برخلاف انسان‌ها، این می‌کروب‌های چندوظیفه‌ای می‌توانند هر دو کار را به یک اندازه به‌خوبی انجام دهند.
تیم دونوهیو، استاد باک‌تری‌شناسی و مدیر مرکز تحقیقات بیوانرژی دریاچه‌های بزرگ، می‌گوید
از نظر من، این یکی از اولین بار‌هایی است که می‌توانید همزمان دو محصول مورد قیمت را در یک می‌کروب بسازید.
این کشف که در مقاله‌ای در ژورنال به تفصیل شرح داده شده است، می‌تواند به پایداری و تجاری‌سازی سوخت‌های زیستی پشتیبانی کند.
دونوهیو می‌گوید
در اصل، این استراتژی انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد و اقتصاد را بهبود می‌بخشد. مقدار انرژی و گاز‌های گلخانه‌ای که برای تشکیل دو محصول در یک جا نیاز دارید، کمتر از انرژی است که برای تشکیل هر محصول جداگانه به دست می‌آید.
هر مولکول برای باکتریها مهم است
تلاش برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی با جانشین‌های پایدار به استخراج بیش‌ترین حد ممکن از زیست‌توده تجدیدپذیر بستگی دارد. درست همانند پتروشیمی‌ها، هر مولکولی مهم است. محصولات کم‌حجم و باقیمت به مقرون‌به‌صرفه‌تر شدن سوخت کمک می‌کنند.
یکی از بزرگ‌ترین موانع، بخشی از دیواره سلولی گیاه به نام لیگنین است. لیگنین زیاد‌ترین منبع کربن‌های معطر تجدیدپذیر در جهان است، اما ساختار نامنظم آن تجزیه را به اجزای سودمند دشوار می‌کند.
به همین علت دانشمندان روی یک باکتری به‌نام نوو مطالعه کرده‌اند که می‌تواند تعداد زیادی از اجزای لیگنین را هضم کند و اصلاح ژنتیکی آن نسبتا آسان است.
در سال ۲۰۱۹، محققان طوری از نوو را مهندسی کردند که می‌تواند یک عنصر کلیدی از پلاستیک‌هایی همانند نایلون و پلی‌اورتان به نام PDC تشکیل دهد. اخیرا، تیمی در آزمایشگاه دونوهیو اصلاح دیگری را کشف کردند که به نوو اجازه می‌دهد تا یک ماده پلاستیکی متفاوت به نام بسازد.
آن‌ها به همین‌جا بسنده نکردند
بن هال، فارغ‌التحصیل تازه دکترا که در این تحقیق شراکت داشته است، می‌گوید ما مشکل انتشار کربن خود را تنها با تشکیل دو محصول حل نمی‌کنیم.
تیم دونوهیو از مدل‌سازی ژنومی برای ارایه فهرستی از محصولات بالقوه که می‌توان از مواد معطر زیست‌توده تهیه کرد، استفاده کرد. نزدیک به بالای لیست، زآگزانتین قرار دارد. زآگزانتین گروه‌ی از رنگدانه‌های آلی شناخته شده به نام کاروتنوئید است.
کاروتنوئید‌ها که به هویج، کدو تنبل، ماهی قزل‌آلا و حتی فلامینگو‌ها رنگ متمایزی می‌دهند، به‌عنوان مکمل‌های غذایی، دارویی و آرایشی استفاده می‌شوند و قیمت کل بازار آن به ده‌ها می‌لیارد دلار در سال می‌رسد.
محققان می‌دانستند که نوو ژن‌هایی برای تشکیل یک کاروتنوئید دیگر با قیمت دارد. بر پایه توالی ژنوم باکتری، آن‌ها گمان کردند که زآگزانتین در فرآیندی که سلول‌ها برای ساخت مولکول‌های پیچیده از آن استفاده می‌کنند، پله‌ای برای رسیدن به کاروتنوئید ارزان‌تر است.
با حذف یا افزودن ژن‌های انتخابی، آن‌ها سوئه‌هایی را مهندسی کردند که زآگزانتین و دیگر کاروتنوئید‌های باارزش را تشکیل می‌دادند.
در مرحله بعد، تیم نشان داد که باک‌تری‌های مهندسی‌شده می‌توانند همان کاروتنوئید‌ها را از مشروبی که از ساقه سورگوم آسیاب‌شده و فرآوری‌شده تهیه می‌شود، بسازند. محلولی که حاوی مخلوطی از مواد معطر است که تعداد زیادی از باک‌تری‌های صنعتی قادر به هضم آن نیستند.
یک گلدان، دو محصول
هال سپس فکر کرد که اگر تغییرات ژنتیکی لازم برای ساخت PDC و یک کاروتنوئید را در همان می‌کروب ترکیب کند، چه اتفاقی می‌افتد.
سوئه‌های به‌دست‌آمده هم PDC و هم کاروتنوئید مقصد را بدون کاهش قابل تشخیص برای هر کدام از بازده تشکیل دادند. حتی بهتر از آن، باکتریها کاروتنوئید‌ها را در سلول‌های خود انباشتند، که باید از محلولی که حاوی PDC است، جدا شوند.
هال می‌گوید ما در حال جدا‌سازی سلول‌ها هستیم. اکنون محصولی خواهیم داشت که از هر دو تشکیل می‌شود.
مراحل بعدی شامل آزمایش این است که آیا سوئه‌های مهندسی‌شده می‌توانند به‌طور همزمان کاروتنوئید‌ها و تشکیل دهند یا خیر.
در حالی که بازار‌های پرسودی برای هر یک از این محصولات وجود دارد، دونوهیو و هال می‌گویند ارزش واقعی این کشف، توانایی افزودن چندین کارکرد به این پلتفرم بیولوژیکی است.