يقوم العلماء بكهربة علم الأحياء عن طريق تحويل التيار إلى الوقود الكيميائي للخلايا

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

يتم تشغيل خلايا جميع الكائنات الحية بنفس الوقود الكيميائي: أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). الآن، وجد الباحثون طريقة لتوليد ATP مباشرة من الكهرباء، والتي يمكن أن تشحن عمليات التكنولوجيا الحيوية التي تنتج كل شيء من الغذاء إلى الوقود إلى الأدوية.

إن ربط التكنولوجيا الحديثة القائمة على الإلكترونيات مع علم الأحياء أمر بالغ الصعوبة. أحد العوائق الرئيسية هو أن الطريقة التي يتم بها تشغيلها مختلفة تمامًا. في حين أن معظم أدواتنا تعمل بالإلكترونات، فإن الطبيعة تعتمد على الطاقة المنطلقة عندما تنكسر الروابط الكيميائية للـ ATP. إن إيجاد طرق للتحويل بين هاتين العملتين المختلفتين للغاية للطاقة يمكن أن يكون مفيدًا لمجموعة كبيرة من التقنيات الحيوية.

يتم بالفعل استخدام الميكروبات المعدلة وراثيًا لإنتاج العديد من المواد الكيميائية عالية القيمة والبروتينات المفيدة علاجيًا، وهناك آمال في أن تساعد قريبًا في إنتاج ميكروبات صديقة للبيئة. وقود الطائراتوتكسير النفايات البلاستيكية وحتى زراعة أطعمة جديدة في المفاعلات الحيوية العملاقة. لكن في الوقت الحالي، يتم تشغيل هذه العمليات من خلال عملية غير فعالة تتمثل في تنمية الكتلة الحيوية، وتحويلها إلى سكر، وتغذيتها للميكروبات.

الآن، ابتكر الباحثون في معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية في ألمانيا طريقة أكثر مباشرة لتشغيل العمليات البيولوجية. لقد أنشأوا مسارًا أيضيًا اصطناعيًا يمكنه تحويل الكهرباء مباشرة إلى ATP باستخدام مزيج من الإنزيمات. والأهم من ذلك أن العملية ناجحة المختبر ولا يعتمد على الآلية الأصلية للخلايا.

""إن تغذية الكهرباء مباشرة في التفاعلات الكيميائية والكيميائية الحيوية يعد إنجازًا حقيقيًا،" قال توبياس إرب، الذي قاد البحث، وقال في بيان صحفي. "سيمكن هذا من تصنيع موارد قيمة غنية بالطاقة مثل النشا أو الوقود الحيوي أو البروتينات من وحدات البناء الخلوية البسيطة - وحتى من ثاني أكسيد الكربون في المستقبل. وقد يكون من الممكن أيضًا استخدام الجزيئات البيولوجية لتخزين الطاقة الكهربائية.

في الطبيعة، يمكن اعتبار ATP وجزيء ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) بمثابة البطاريات تقريبًا. ATP يشبه البطارية المشحونة، حيث يقوم بتخزين الطاقة في روابطه الكيميائية. إذا احتاجت الخلية إلى إنفاق تلك الطاقة، فإنها تكسرها of يمكن لمجموعات الفوسفات الثلاث للجزيء والطاقة المرتبطة بتلك الرابطة الكيميائية أن تزود بعض العمليات الخلوية بالطاقة.

تقوم هذه العملية بتحويل جزيء ATP إلى ADP، والذي يمكن اعتباره بطارية فارغة. لإعادة شحنها، تحتاج الخلية إلى استخدام الطاقة من الغذاء أو التمثيل الضوئي لإضافة مجموعة الفوسفات مرة أخرى إلى جزيء ADP، وتحويلها مرة أخرى إلى ATP.

لكن عملية إعادة الشحن هذه تعتمد على سلسلة معقدة من التفاعلات التي تتضمن مجمعات بروتينية مختلفة مدمجة في غشاء الخلية. إن إعادة هندسة هذا النظام ليعمل خارج الخلية أمر صعب، لأنه يتطلب توجيه البروتينات المختلفة بعناية في غشاء صناعي، مما يجعله دقيقًا وهشًا.

النهج الجديد، المبين في أ الورق في جول وحدة طاقة, هو أبسط من ذلك بكثير. يطلق عليها اسم "دورة AAA"، وتتضمن أربعة إنزيمات فقط تتفاعل في المحلول. كان العنصر الرئيسي الذي جعل كل هذا ممكنًا هو اكتشاف إنزيم يسمى ألدهيد فيريدوكسين أوكسيدوريدوكتاس (AOR) في بكتيريا تم اكتشافها مؤخرًا تسمى أروماتيكوم أروماتوليوم، وهو قادر على تحطيم البترول.

يقوم العلماء بكهربة علم الأحياء عن طريق تحويل التيار إلى وقود كيميائي للخلايا، وذكاء بيانات PlatoBlockchain. البحث العمودي. منظمة العفو الدولية. — *حقوق الصورة: MPI f. علم الأحياء الدقيقة الأرضية / إرب*

هذا الإنزيم قادر على أخذ الإلكترونات من القطب وربط طاقتها في رابطة ألدهيد تضاف إلى مادة كيميائية أولية تسمى بروبيونات. ثم يتم تمرير ذلك من خلال ثلاثة إنزيمات أخرى تعمل على المادة الكيميائية وتستخدم في النهاية الطاقة المخزنة فيها لتحويل ADP إلى ATP. وفي النهاية، ينبثق جزيء البروبيونات الذي يمكن بعد ذلك تغذيته مرة أخرى في الدورة.

"إن دورة AAA البسيطة هي طريقة ذكية وأنيقة... وهي أبسط بكثير من الطريقة الطبيعية التي تنتج بها البيولوجيا ATP،" درو إندي، عالم الأحياء الاصطناعية في جامعة ستانفورد، قال علوم. وأضاف أنه يمكن أن يكون عامل تمكين رئيسي لجعل "التخليق الكهربائي" ممكنًا، وهي فكرة استخدام الكهرباء لتشغيل تخليق المواد الكيميائية المفيدة بواسطة الخلايا بشكل مباشر.

ويقول الباحثون إن العملية لا تزال بحاجة إلى العمل، لأن الإنزيمات غير مستقرة ولا يمكنها سوى تحويل كمية صغيرة من الطاقة. ولكن إذا كان من الممكن تحسين الفكرة وتوسيع نطاقها، فقد تجعل من الممكن تشغيل جميع أنواع عمليات التكنولوجيا الحيوية القوية على الطاقة المتجددة، مما لا يجعلها أكثر خضرة فحسب، بل يتوسع بشكل كبير.جي كمية الطاقة التي يمكنهم الاستفادة منها.

الصورة الائتمان: غونتر / Pixabay