أكاديمية العلوم الصينية
علماء الصين ينجحون بتحويل CO2 إلى نشاء دون تركيب ضوئي
تمكّن فريق من 22 عالِماً صينيّاً من ابتكار أوّل طريقة كيميائية في تاريخ العلم لتحويل ثاني أوكسيد الكربون CO2 إلى نشاء. ونُشرت نتائج بحثهم في مجلة «العلم» المُحكّمة Science في 24 أيلول 2021. ويتيح هذا الإنجاز العلمي-التقني الجديد تحويل نمط إنتاج النشاء من الحصول عليه من النباتات المزروعة (مثل الذرة والحبوب) إلى تركيبه صناعياً دون الحاجة للنبات، مما يفتح آفاق مهمة تتعلق بعدة مجالات، مثل: الصناعات الغذائية، وتركيب جزيئات معقّدة أخرى من ثاني أوكسيد الكربون، ومكافحة التغير المناخي.
ترجمة وإعداد: نادر شيّا
النشاء هو المكون الرئيس للحبوب، ومادة خام صناعية مهمة. في الوقت الحاضر، يتم إنتاجه بشكل أساسي عن طريق محاصيل، مثل: الذرة، بواسطة تثبيت ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية التمثيل (التركيب) الضوئي. وتتضمن هذه العملية حوالي 60 تفاعلاً كيميائياً حيوياً بالإضافة إلى تنظيم فيزيولوجي معقّد، وتبلغ الكفاءة النظرية لتحويل الطاقة في هذه العملية حوالي 2% فقط.
ولذلك برزت الحاجة الماسّة لاستراتيجيات التزود بالنشاء بطريقة مستدامة، واستخدام ثاني أكسيد الكربون للتغلب على التحديات الرئيسية للبشرية، مثل: أزمة الغذاء وتغيّر المناخ. ولطالما كان تصميم طرق جديدة- غير التمثيل الضوئي في النباتات- لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى نشاء، تحدياً علمياً وتقنياً.
ولمعالجة هذه المشكلة، صمّم العلماء في معهد تيانجين للتكنولوجيا الحيوية الصناعية (TIB) التابع لأكاديمية العلوم الصينية (CAS) نظاماً كيميائياً بالإضافة إلى طريق ابتنائي للنشاء يتكون من 11 تفاعلاً كيميائياً أساسياً فقط لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى نشاء.
تم إنشاء هذا المسار من خلال إستراتيجية «لبنة البناء»، حيث قام الباحثون بدمج الوحدات التحفيزية الكيميائية والبيولوجية لاستخدام الطاقة عالية الكثافة وثاني أكسيد الكربون عالي التركيز بطريقة مبتكرة من الناحية التكنولوجية الحيوية.
قام الباحثون بتحسين هذا النظام الهجين بشكل منهجي باستخدام الفصل المكاني والزماني من خلال معالجة قضايا، مثل: منافسة الركيزة substrate competition، وتثبيط الناتج، والتكيف الديناميكي الحراري.
ويستطيع المسار الاصطناعي الحصول على النشاء من ثاني أكسيد الكربون بكفاءة أعلى بـ 8.5 مرة من التخليق الحيوي للنشاء في نبات الذرة، مما يشير إلى قفزة كبيرة نحو تجاوز الطبيعة، ويوفر أساساً علمياً جديداً لإنشاء أنظمة بيولوجية ذات وظائف غير مسبوقة.
ووفقاً لـ«ياني ما» أحد العلماء المشاركين بالبحث: «إذا أمكن تخفيض التكلفة الإجمالية للعملية إلى مستوى يمكن مقارنته اقتصادياً بالزراعة في المستقبل، فمن المتوقع توفير أكثر من 90% من الأراضي المزروعة وموارد المياه العذبة».
بالإضافة إلى ذلك، من شأن هذا الاختراق العلمي أن يساعد أيضاً في تجنب التأثير السلبي على البيئة الناجم عن استخدام مبيدات الآفات والأسمدة، وتحسين الأمن الغذائي البشري، وتسهيل الاقتصاد الحيوي المحايد للكربون، وفي نهاية المطاف تعزيز تشكيل مجتمع بيولوجي مستدام.
ركز معهد تيانجين على التخليق الحيوي للنشاء الاصطناعي واستخدام ثاني أكسيد الكربون منذ عام 2015. ولإجراء مثل هذا البحث العلمي والتكنولوجي الموجَّه نحو الطلب، تمت تعبئة جميع أنواع الموارد للابتكار الجماعي وتم تعزيز تكامل «الانضباط والمهام والمنصة» لتحقيق الكفاءة وتنسيق الجهود البحثية.
• يجدر بالذكر بأنّ هذه الدراسة التي نشرت في Scientific Reports (24 أيلول 2021) تحت عنوان «التخليق الأنزيمي الكيميائي للنشاء من ثاني أكسيد الكربون دون خلايا حيّة» Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide قد تم تمويلها ودعمها من برنامج البحث الرئيسي التابع لأكاديمية العلوم الصينية ومشروع تحسين قدرة ابتكار التكنولوجيا الحيوية الاصطناعية في معهد تينجيان. وينتمي علماء فريق البحث إلى مؤسسات علمية صينية متنوعة التخصصات، أبرزها: «قسم البحوث الاستراتيجية والتكاملية، بمعهد تيانجين للتكنولوجيا الحيوية الصناعية»، و«المركز الوطني للابتكار التكنولوجي للبيولوجيا التركيبية»، و«المعمل الهندسي الوطني للأنزيمات الصناعية»، وجميعها في تيانجين، إضافة إلى «مختبر الدولة الرئيس لمواد التحفيز الكيميائية في معهد داليان للفيزياء الكيميائية» و«مختبر أكاديمية العلوم الصينية الرئيس للتكنولوجيا الحيوية الميكروبية للأنظمة».
معلومات إضافية
- العدد رقم:
- 1037
