ما زیاد تر برای حل بزرگترین مشکلات به کوچک‌ترین اشکال زندگی نگاه می‌کنیم. میکروب‌ها و باکتری‌ها به تشکیل غذاها و نوشیدنی‌ها، درمان بیماری‌ها، تجزیه زباله‌ها و حتی پاک‌سازی آلودگی پشتیبانی می‌کنند.
مخمرها و باکتری‌ها این چنین می‌توانند قندهای گیاهی را به سوخت‌های زیستی و مواد شیمیایی که به‌طور سنتی از سوخت‌های فسیلی به دست می‌آیند، تبدیل کنند. سوخت فسیلی یکی از مؤلفه‌های کلیدی اکثر برنامه‌ها برای افت تغییرات آب و هوایی محسوب می‌بشود.
اکنون محققان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون باکتری‌هایی را مهندسی کرده‌اند که می‌توانند همزمان دو محصول شیمیایی را از الیاف گیاهی کم‌مصرف تشکیل کنند. برخلاف انسان‌ها، این میکروب‌های چندوظیفه‌ای می‌توانند هر دو کار را به یک اندازه به‌خوبی انجام بدهند.
تیم دونوهیو، استاد باکتری‌شناسی UW-Madison 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 Applied and Environmental Microbiology به تفصیل شرح داده شده است، می‌تواند به پایداری و تجاری‌سازی سوخت‌های زیستی پشتیبانی کند.
دونوهیو می‌گوید:
«در اصل، این استراتژی انتشار کردن خالص گازهای گلخانه‌ای را افت 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 منفعت گیری می‌بشود.»
هر مولکول باکتری‌ها مهم است
تلاش برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی با جانشین‌های پایدار به استخراج بیشترین حد ممکن از زیست توده تجدیدپذیر بستگی دارد. درست همانند پتروشیمی‌ها، هر مولکولی مهم است. محصولات کم حجم و با قیمت به مقرون به‌صرفه‌تر شدن سوخت پشتیبانی می‌کنند.
یکی از بزرگترین مانع ها، بخشی از دیواره سلولی گیاه به نام لیگنین است. لیگنین زیاد‌ترین منبع کربن‌های معطر تجدیدپذیر در جهان است، اما ساختار نامنظم آن، تجزیه آن را به اجزای سودمند دشوار می‌کند.
به همین علت است که دانشمندان روی یک باکتری به‌نام Novo مطالعه کرده‌اند که می‌تواند تعداد بسیاری از اجزای لیگنین را هضم کند و اصلاح ژنتیکی آن نسبتاً آسان است.
در سال ۲۰۱۹، محققان طوری از Novo را مهندسی کردند که می‌تواند یک عنصر کلیدی از پلاستیک‌هایی همانند نایلون و پلی‌اورتان به نام PDC تشکیل کند. اخیراً، تیمی در آزمایشگاه دونوهیو اصلاح فرد دیگر را کشف کردند که به Novo اجازه می‌دهد تا یک ماده پلاستیکی متفاوت به نام ccMA بسازد.
آنها به همین‌جا بسنده نکردند
بن هال، فارغ التحصیل تازه دکترا که در این تحقیق شراکت داشته است، می‌گوید: «ما مشکل انتشار کردن کربن خود را تنها با تشکیل دو محصول حل نمی‌کنیم.»
تیم دونوهیو از مدل‌سازی ژنومی برای اراعه فهرستی از محصولات بالقوه که می‌توان از مواد معطر زیست توده تهیه کرد، منفعت گیری کرد. نزدیک به بالای لیست، زآگزانتین قرار دارد. زآگزاتین گروهی از رنگدانه‌های آلی شناخته شده به‌گفتن کاروتنوئید است.
کاروتنوئیدها که به هویج، کدو تنبل، ماهی قزل آلا و حتی فلامینگوها رنگ متمایزی خواهند داد، به‌گفتن مکمل‌های غذایی، دارویی و آرایشی منفعت گیری خواهد شد و قیمت کل بازار آن به قیمت ده‌ها میلیارد دلار در سال می‌رسد.
محققان می‌دانستند که Novo ژن‌هایی برای تشکیل یک کاروتنوئید دیگر با قیمت مقداری دارد. بر پایه توالی ژنوم باکتری، آنها مشکوک شدند که زآگزانتین در فرآیندی که سلول‌ها برای ساخت مولکول های پیچیده از آن منفعت گیری می‌کنند، پله ای برای رسیدن به کاروتنوئید کم‌قیمت‌تر است.
با حذف یا افزودن ژن‌های انتخابی، آنها سویه‌هایی را مهندسی کردند که زآگزانتین و این چنین دیگر کاروتنوئیدهای مورد قیمت را تشکیل می‌کردند.
در مرحله سپس، تیم نشان داد که باکتری‌های مهندسی‌شده می‌توانند همان کاروتنوئیدها را از مشروبی که از ساقه سورگوم آسیاب شده و فرآوری شده تهیه می‌بشود، تشکیل کنند. محلولی که حاوی مخلوطی از مواد معطر است که تعداد بسیاری از باکتری‌های صنعتی قادر به هضم آن نیستند.
یک گلدان، دو محصول
هال سپس به این فکر کرد که اگر تغییرات ژنتیکی ملزوم برای ساخت PDC و یک کاروتنوئید را در همان میکروب ترکیب کند، چه اتفاقی می‌افتد.
سویه‌های به‌دست‌آمده هم PDC و هم کاروتنوئید مقصد را بدون کم شدن قابل تشخیص برای هر کدام از بازده تشکیل می‌کردند. حتی بهتر از آن، باکتری‌ها کاروتنوئیدها را در سلول های خود انباشته کردند، که باید از محلولی که حاوی PDC است، جدا شوند.
هال می‌گوید: «ما درحال جداسازی سلول‌ها هستیم. اکنون محصولی خواهیم داشت که از هر دو تشکیل می‌بشود.»
مرحله های بعدی شامل آزمایش این است آیا سویه‌های مهندسی‌شده می‌توانند به‌طور همزمان کاروتنوئیدها و ccMA تشکیل کنند یا خیر.
در حالی که بازارهای پرسودی برای هر یک از این محصولات وجود دارد، دونوهیو و هال می‌گویند قیمت واقعی این کشف، توانایی افزودن چندین کارکرد به این پلتفرم بیولوژیکی است.