שמרים משמשים כבר אלפי שנים בייצור בירה ויין ולהוספה של מוך וטעם ללחם. הם המפעלים הזעירים של הטבע שיכולים להאכיל מסוכרים המצויים בפירות ובדגנים וחומרי הזנה אחרים – ומהתפריט הזה לייצר אלכוהול למשקאות, ופחמן דו חמצני כדי לגרום ללחם לתפוח.
חוקרים מבית הספר להנדסה באוניברסיטת טאפטס מדווחים על יצירת שמרים מותאמים שיכולים להאכיל ממגוון רחב יותר של חומרים, שרבים מהם יכולים להיות מופקים מתוצרי לוואי חקלאיים שאנו לא משתמשים בהם – עלים, קליפות, גבעולים, אפילו שבבי עץ – מה שמכונה לעתים קרובות "פסולת ביומסה".
למה חשוב לייצר שמרים שיכולים להאכיל משאריות חקלאיות אלו?
בשנים האחרונות, מדענים שינו שמרים כדי לייצר מוצרים שימושיים אחרים כמו תרופות ודלק ביולוגי. זוהי דרך חכמה לתת לטבע לעשות את העבודה שלנו בצורה שאינה דורשת כימיקלים רעילים לייצור. הטכנולוגיה – המכונה "ביולוגיה סינתטית" – עדיין צעירה, אבל במבט קדימה לעתיד שבו ייצור ביו-סינתטי משמרים יפעל בקנה מידה גדול מאוד, אנחנו צריכים להאכיל שמרים במשהו אחר ממה שאנחנו בעצמנו צריכים לאכול.
הרבה מה ללעוס — שמרים הנדסיים לגידול על סוכרים ביומסה
השמרים החדשים שמיוצרים על ידי צוות Tufts יכולים להאכיל מסוכרים כמו קסילוזה, ערבינוז וצלוביוז שניתן להפיק מהחלקים העציים הבלתי ניתנים לעיכול של יבולים המושלכים לעתים קרובות הצידה לאחר הקטיף, כמו גבעולי תירס, קליפות ועלים וגבעולים של חיטה. כ-1.3 מיליארד טון מביומסה זו של פסולת מיוצרים מדי שנה, ומספקים די והותר סוכרים כדי להניע תעשייה עצומה של ביו-סינתזה של שמרים.
"אם נוכל לגרום לשמרים להזין מביומסה פסולת, נוכל ליצור תעשייה ביו-סינתטית עם טביעת רגל פחמנית נמוכה", אמר ניקיל נאיר, פרופסור חבר להנדסה כימית וביולוגית בבית הספר להנדסה טאפטס. "לדוגמה, כשאנחנו שורפים דלק ביולוגי שיוצר על ידי שמרים, אנחנו מייצרים הרבה פחמן דו חמצני, אבל הפחמן הדו חמצני הזה נספג מחדש בגידולים בשנה שלאחר מכן, שהשמרים ניזונים מהם כדי לייצר יותר דלק ביולוגי, וכן הלאה".
הנדסה מינימלית לתפוקה מקסימלית
נאיר וצוותו חשבו שהסיכוי הטוב ביותר לצריכה יעילה של פסולת סוכרים ביומסה עשוי להיות שינוי "לוח מחוונים" גנטי קיים שבו משתמשים השמרים כדי לווסת את צריכת הגלקטוז (סוכר הנפוץ במוצרי חלב). לוח המחוונים, הנקרא רגולון, כולל גנים לחיישנים המזהים נוכחות של סוכר, ומפעיל אנזימים לפירוק כימי של סוכר כך שניתן לבנות מחדש את רכיבי הפחמן והחמצן שלו לרכיבים חדשים. הרכיבים החדשים הם בעיקר מולקולות קטנות וחלבונים שהשמרים עצמם צריכים כדי לשרוד, אבל הם יכולים להיות גם מוצרים חדשים שמדענים אולי הנדסו לתוך השמרים.
במחקר קודם, החוקרים שינו את רגולון הגלקטוז כך שהחיישן מזהה את הסוכר קסילוז ביומסה, ומפעיל אנזימים לעבד קסילוז במקום גלקטוז.
"להביא שמרים לגדול על קסילוזה הייתה התקדמות חשובה", אמר שון סאליבן, סטודנט לתואר שני במעבדת Nair שהוביל את המחקר האחרון, "אבל הנדסה מחדש של אורגניזמים שונים של שמרים כדי לגדול על כל סוכר ביומסה היא לא הגישה הטובה ביותר. רצינו לעצב אורגניזם שמרים אחד שיכול להאכיל מתפריט שלם, או כמעט שלם של סוכר של ביומסה".
סאליבן ביצע רק שינויים מינימליים ברגולון שכבר תוכנן לקסילוז, על ידי שינוי חלבון החיישן כך שיקבל באופן כללי יותר קסילוז, ארבינוז וצלוביוז. מלבד עוד כמה שינויים מינוריים, הרגולון החדש אפשר לאורגניזם השמרים לגדול על שלושת הסוכרים הללו בקצבים דומים לשמרים שגדלו על סוכרים מקומיים גלוקוז וגלקטוז.
"על ידי שימוש ברשתות רגולטוריות מקוריות המקושרות לצמיחת תאים והישרדות, נוכל לנקוט בגישה הנדסית מינימלית לשינוי ואופטימיזציה של צריכת הסוכר", אמר Vikas Trivedi, חוקר פוסט-דוקטורט שהיה שותף להובלת המחקר. "מקרה שלשמרים יש את המנגנון לגדול על סוכרים לא מקוריים, כל עוד אנחנו מתאימים חיישנים ורגולונים לזהות את הסוכרים האלה."
שיפור הקצה האחורי של הייצור
שיפוץ שמרים לגידול על פסולת סוכרים ביומסה מציב את הקרקע לייצור משופר של מוצרים ביו-סינתזה, הכולל תרופות כמו אינסולין, הורמון גדילה אנושי ונוגדנים. שמרים הונדסו גם לייצור חיסונים על ידי ביטוי שברים קטנים של וירוסים הממריצים את המערכת החיסונית.
למעשה, ניתן להנדס מחדש שמרים כדי לייצר תרכובות טבעיות המשמשות לייצור תרופות, שאחרת קשה להשיגן מכיוון שיש להפיק אותן מצמחים נדירים. אלה כוללים סקופולאמין המשמש להקלה על מחלת תנועה ובחילות לאחר ניתוח, ואת אטרופין המשמש לטיפול בחולי מחלת פרקינסון, וארטמנסין, המשמש לטיפול במלריה.
אתנול הוא דלק ביולוגי ידוע המיוצר על ידי שמרים, אך חוקרים הנדסו את האורגניזם גם כדי לייצר דלקים אחרים כמו איזובוטנול ואיזופנטנול, שיכולים לספק יותר אנרגיה לליטר מאשר אתנול.
שמרים ביו-מהנדסים יכולים גם לייצר אבני בניין של ביו-פלסטיק, כגון חומצה פולילקטית, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בהם לייצור מגוון מוצרים, כולל חומרי אריזה ומוצרי צריכה, ללא צורך לשאוב ממקורות נפט.
"בעוד שקהילת המחקר ממשיכה לחדש שמרים לייצור מוצרים חדשים, אנו מכינים את האורגניזם לגדול ביעילות על ביומסה של פסולת חקלאית, תוך סגירת מחזור פחמן שחמק עד כה מייצור דלקים, תרופות ופלסטיק", אמר נאיר.
קישור לכתבת המקור – 2023-07-19 18:23:03
