۲۲ دسامبر ۲۰۲۵، نیتیکا والتر -آنچه این کار را متمایز میکند این است که مسیر متابولیکی در طبیعت وجود ندارد. -گتی ایمیجز
تبدیل آلودگی آب و هوا به چیزی مفید، مدتهاست که یک آرزوی علمی بوده است.اکنون، محققان در ایالات متحده با ساخت یک متابولیسم کاملاً مصنوعی که میتواند مولکولهای مشتق شده از دی اکسید کربن را به بلوکهای سازنده شیمیایی ارزشمند تبدیل کند، گامی جسورانه به سوی این هدف برداشتهاند.
زیستشناسان مصنوعی از دانشگاه نورث وسترن و دانشگاه استنفورد سیستم جدیدی را مهندسی کردهاند که فرمات، یک مولکول مایع ساده که به راحتی از CO₂ جذب شده تولید میشود، را به استیل-CoA، یک متابولیت مرکزی که توسط همه سلولهای زنده استفاده میشود، تبدیل میکند.
به عنوان اثبات مفهوم، از همان سیستم برای تبدیل استیل-کوآ به مالات، یک ترکیب با ارزش تجاری که در محصولات غذایی، لوازم آرایشی و پلاستیکهای زیستتخریبپذیر استفاده میشود، استفاده شد.
آنچه این کار را متمایز میکند این است که مسیر متابولیکی در طبیعت وجود ندارد.
محققان به جای تکیه بر موجودات زنده، یک سیستم کاملاً مصنوعی و بدون سلول متشکل از آنزیمهای مهندسیشده ساختند که قادر به انجام واکنشهایی هستند که قبلاً در زیستشناسی مشاهده نشده بودند.
این سیستم که به عنوان مسیر فرمیت کاهنده یا ReReform شناخته میشود، پیشرفت بزرگی در زیستشناسی مصنوعی و بازیافت کربن است و پیامدهای بالقوهای برای سوختهای خنثی از کربن و تولید پایدار دارد.
برخلاف مسیرهای متابولیکی طبیعی که در داخل موجودات زنده عمل میکنند، ReReform کاملاً خارج از سلولهای زنده عمل میکند.این طراحی به محققان اجازه میدهد تا از محدودیتهای بیولوژیکی که مدتهاست مانع استفاده کارآمد از CO₂ شدهاند، عبور کنند.
آشتی کریم از دانشگاه نورث وسترن، که رهبری مشترک این مطالعه را بر عهده داشت، گفت: “انتشار مداوم CO2 چالشهای اجتماعی و اقتصادی بسیاری را برای بشریت ایجاد کرده است. اگر قرار است به این چالش جهانی بپردازیم، به شدت به مسیرهای جدیدی برای تولید کالاهای بدون کربن نیاز داریم.»
کریم توضیح داد که اگرچه طبیعت مسیرهایی را برای پردازش CO₂ تکامل داده است، اما هیچکدام نمیتوانند فرمات را به استیل-کوآ تبدیل کنند.
او گفت: «با الهام از طبیعت، ما به دنبال استفاده از آنزیمهای بیولوژیکی برای تبدیل فرمات مشتق شده از CO2 به مواد با ارزشتر بودیم. از آنجا که مجموعهای از آنزیمها در طبیعت وجود ندارد که بتوانند این کار را انجام دهند، تصمیم گرفتیم یکی از آنها را مهندسی کنیم.»
توانایی کار در خارج از سلولها همچنین به دانشمندان کنترل دقیقی بر غلظت آنزیمها، شرایط واکنش و کوفاکتورها میدهد، چیزی که دستیابی به آن در سیستمهای زنده تقریباً غیرممکن است.
برای اینکه ReReform کار کند، تیم ابتدا باید آنزیمهایی را ایجاد میکرد که قادر به انجام وظایف شیمیایی کاملاً جدید باشند.آنها به زیستشناسی مصنوعی بدون سلول روی آوردند، تکنیکی که ماشینآلات مولکولی سلول را استخراج کرده و آن را در محیط لوله آزمایش به کار میاندازد.
مایکل جوت از دانشگاه استنفورد، که از رهبران این مطالعه بود، گفت: «مثل این است که کاپوت ماشین را باز کنید و موتور را بردارید. سپس میتوانیم از آن «موتور» برای اهداف مختلف، فارغ از محدودیتهای ماشین، استفاده کنیم.»
این رویکرد به محققان اجازه داد تا به سرعت ۶۶ آنزیم و بیش از ۳۰۰۰ نوع آنزیم را غربالگری کنند و بهترین عملکردها را در عرض چند هفته به جای چند ماه شناسایی کنند.
کریم گفت: «محیط بدون سلول ما را قادر ساخت تا هزاران آزمایش در هفته انجام دهیم.»
در طراحی نهایی، پنج آنزیم مهندسیشده، شش مرحله واکنش را برای تبدیل فرمات به استیل-کوآ انجام میدهند. این تیم همچنین نشان داد که ReForm میتواند ورودیهای تک کربنی دیگری از جمله فرمالدئید و متانول را نیز بپذیرد.
جوت گفت ReForm میتواند به راحتی از منابع کربن متنوع استفاده کند. این اولین نمایش از معماری مسیر متابولیک مصنوعی است که میتواند این کار را انجام دهد.»
محققان میگویند که این پلتفرم میتواند بیشتر بهینه و سازگار شود تا مسیرهای مصنوعی دیگری را بسازد که شیمی و زیستشناسی را با هم ترکیب میکنند و ابزارهای جدیدی را برای تولید با راندمان کربن ارائه میدهند، همانطور که در Nature Chemical Engineering به تفصیل شرح داده شده است.
