מדוע פירוק חומר צמחי לדלק ביולוגי כל כך איטי?

פרסומת
X-ray_Promo1


תאית, שעוזרת להעניק לדפנות תאי הצמח את המבנה הקשיח שלהם, טומנת בחובה הבטחה כחומר גלם מתחדש לדלק ביולוגי – אם החוקרים יוכלו להאיץ את תהליך הייצור. בהשוואה לפירוק של חומרי דלק ביולוגי אחרים כמו תירס, פירוק תאית הוא איטי ולא יעיל, אך עלול למנוע דאגות בנוגע לשימוש במקור מזון תוך ניצול של חומרים צמחיים בשפע שאחרת עלולים ללכת לפח. מחקר חדש בראשות חוקרי פן סטייט חשף כיצד מספר מחסומים מולקולריים מאטים את התהליך הזה.

פרסומת

המחקר האחרון של הצוות, שפורסם ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעיםמתאר את התהליך המולקולרי שבו צלוביוז – שבר שני סוכר של תאית שנוצר במהלך פירוק תאית – יכול לסתום את הצינור ולהפריע לפירוק תאית לאחר מכן.

ייצור דלק ביולוגי מסתמך על פירוק תרכובות כמו עמילן או תאית לגלוקוז, אשר לאחר מכן ניתן לתסיסה ביעילות לאתנול לשימוש כדלק או להמיר אותו לחומרים שימושיים אחרים. האופציה הבולטת של הדלק הביולוגי בשוק כיום נוצרת מתירס, בין השאר משום שלדברי החוקרים, העמילנים שלהם מתפרקים בקלות.

"ישנן כמה חששות לגבי השימוש בתירס כמקור דלק ביולוגי, כולל התחרות עם אספקת המזון העולמית והכמות הגדולה של גזי חממה המיוצרים בעת יצירת אתנול מבוסס תירס", אמר צ'ארלס אנדרסון, פרופסור לביולוגיה במכללת פן סטייט אברלי. מדע ומחבר המאמר. "חלופה מבטיחה היא פירוק תאית מהחלקים הלא אכילים של צמחים כמו גבעולי תירס, פסולת צמחית אחרת כמו שאריות ייעור וגידולים ייעודיים שעלולים לגדל על קרקע שולית. אבל אחד הדברים העיקריים שמעכבים זאת- הדלקים הביולוגיים של הדור השני מהיותם תחרותיים כלכלית היא שהתהליך הנוכחי לפירוק תאית הוא איטי ולא יעיל".

השתמשנו בטכניקת הדמיה חדשה יחסית כדי לחקור את המנגנונים המולקולריים שמאטים את התהליך הזה".

תאית מורכבת משרשראות של גלוקוז, המוחזקות יחד על ידי קשרי מימן למבנים גבישיים. מדענים משתמשים באנזימים הנקראים צלולאזים, שמקורם בפטריות או מחיידקים, כדי לפרק חומר צמחי ולחלץ את הגלוקוז מהתאית. אבל, אמרו החוקרים, המבנה הגבישי של תאית יחד עם תרכובות אחרות הנקראות קסילן וליגנין – הקיימים גם בדפנות התא – מספקים אתגרים נוספים לפירוק התאית. עם זאת, טכניקות מסורתיות לא הצליחו לחשוף את המנגנונים המולקולריים הספציפיים של האטות אלו.

כדי לחקור את המנגנונים הלא ברורים הללו, החוקרים תייגו כימית צלולאזות בודדות עם סמנים פלואורסצנטיים. לאחר מכן הם השתמשו במיקרוסקופ SCATTIRSTORM של פן סטייט, שהצוות תכנן ובנה בדיוק למטרה זו, כדי להתחקות אחר המולקולות בכל שלב בתהליך הפירוק ופירשו את הסרטונים שהתקבלו באמצעות עיבוד חישובי ומידול ביוכימי.

"שיטות מסורתיות מתבוננות בתהליך הפירוק בקנה מידה גדול יותר, מתמרנות באופן מלאכותי את מיקומו של האנזים או רק לוכדות מולקולות בתנועה, מה שאומר שאתה עלול לפספס חלק מהתהליך המתרחש באופן טבעי", אמר וויל הנקוק, פרופסור להנדסה ביו-רפואית בפן. המכללה הלאומית להנדסה ומחברת המאמר. "באמצעות מיקרוסקופ SCATTIRSTORM, הצלחנו לצפות באנזימי צלולאז בודדים בפעולה כדי להגיע באמת למה שמאט את התהליך הזה וליצור רעיונות חדשים כיצד להפוך אותו ליעיל יותר."

החוקרים חקרו במיוחד את ההשפעה של אנזים צלולאז פטרייתי בשם Cel7A. כחלק מתהליך הפירוק, Cel7A מזין תאית למעין מנהרה מולקולרית, שם היא נקצצת.

"Cel7A מעביר את שרשרת הגלוקוז ל'דלת הכניסה' של המנהרה, השרשרת נבקעת, והמוצרים יוצאים מה'דלת האחורית' במעין צינור", אמר דגואן נונג, עוזר פרופסור מחקר להנדסה ביו-רפואית מכללת פן סטייט להנדסה והמחבר הראשון של המאמר. "אנחנו לא בדיוק בטוחים איך האנזים משחיל את שרשרת הגלוקוז למנהרה או מה בדיוק קורה בפנים, אבל ידענו ממחקרים קודמים שהמוצר שיוצא מהדלת האחורית, צלוביוז, יכול להפריע לעיבוד התאית שלאחר מכן. מולקולות עכשיו, אנחנו יודעים יותר על איך זה מפריע."

בתוך המנהרה, Cel7A קוצץ תאית – שיש לה יחידות חוזרות של גלוקוז – לשברי צלוביוז של שני סוכר. החוקרים גילו שצלוביוז בתמיסה יכול להיקשר ל"דלת האחורית" של המנהרה, מה שיכול להאט את היציאה של מולקולות הצלוביוז הבאות, שכן הוא בעצם חוסם את הדרך. בנוסף, הם גילו שהוא יכול להיקשר ל-Cel7A ליד דלת הכניסה, ולמנוע מהאנזים להיקשר לתאית נוספת.

"מכיוון שצלוביוזה כל כך דומה לתאית, זה אולי לא מפתיע שהחתיכות הקטנות יכולות להיכנס למנהרה", אמר הנקוק. "כעת, כשיש לנו הבנה טובה יותר של איך בדיוק צלוביוז מחליש דברים, אנחנו יכולים לחקור דרכים חדשות לכוונון התהליך הזה. לדוגמה, נוכל לשנות את הדלת הקדמית או האחורית של המנהרה או לשנות היבטים של האנזים Cel7A להיות יעיל יותר במניעת עיכוב זה. יש הרבה עבודה להנדס אנזימי צלולאז יעילים יותר במהלך שני העשורים האחרונים, וזו גישה חזקה להפליא לכוון את המאמץ הזה".

מחקר זה בונה על עבודה עדכנית של צוות המחקר כדי להבין מחסומים אחרים לתהליך הפירוק – קסילן וליגנין – שפרסמו לאחרונה ב-RSC Sustainability and Biotechnology for Biofuels and Bioproducts.

"מצאנו שקסילן וליגנין פועלים בדרכים שונות כדי להפריע לפירוק תאית", אמרה נריה זקסר, חוקרת פוסט-דוקטורט בביולוגיה במכללת פן סטייט אברלי למדע והמחברת הראשית של מאמר ה-RSC Sustainability. "קסילן מצפה את התאית, ומפחית את חלקם של האנזימים שיכולים להיקשר לתאית ולהזיז אותה. לגנין מעכב את יכולת האנזים להיקשר לתאית וכן את תנועתו, ומפחית את המהירות והמרחק של האנזים".

למרות שקיימות אסטרטגיות להסרת רכיבים כמו קסילן וליגנין מהתאית, החוקרים אמרו שהסרת הצלוביוז קשה יותר. שיטה אחת משתמשת באנזים שני כדי לפצח צ'לוביוזה, אך היא מוסיפה עלות ומורכבות נוספת למערכת.

"כ-50 סנט לליטר של עלויות ייצור ביו-אתנול מוקדשים רק לאנזימים, כך שצמצום העלות הזה יעשה הרבה במונחים של הפיכת ביו-אתנול מפסולת צמחית לתחרותי יותר עם דלקים מאובנים או אתנול על בסיס תירס", אמר אנדרסון. "נמשיך לחקור כיצד להנדס אנזימים ולחקור כיצד אנזימים עשויים לעבוד יחד במטרה להפוך את התהליך הזה למחיר נמוך ויעיל ככל האפשר."

צוות המחקר בפן סטייט כולל גם את זכרי הווילנד, סטודנט לתואר ראשון במגמה להנדסה ביו-רפואית בזמן המחקר; שרה פאף, סטודנטית לתואר שני בביולוגיה בזמן המחקר; דניאל קוסגרוב, בעל הקתדרה לביולוגיה של משפחת אברלי; מינג טיין, פרופסור אמריטוס לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית; ואלק פרדיסו, סטודנט לתואר ראשון במגמת ביוטכנולוגיה.

מימון ממשרד האנרגיה האמריקאי (DOE) והקרן הלאומית למדע בארה"ב תמכו בעבודה זו, כולל בניית המיקרוסקופ SCATTIRSTORM. תמיכה נוספת ניתנה על ידי המרכז למבנה והיווצרות ליגנוצלולוזה, מרכז מחקר גבול אנרגטי הממומן על ידי ה-DOE.



קישור לכתבת המקור – 2024-05-08 02:52:12

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר

[Mellow_Labs] התבקש ליצור א מד מהירות GPS. זה נראה פשוט, אבל כמובן, השטן נמצא בפרטים…