مهندسي باكتري ايكولاي براي مصرف كربن‌دي‌اكسيد
پژوهشگران سويه‌اي از باكتري «اشريشياكلي» يا به‌اختصار «ايكولاي» ايجاد كرده‌اند كه به‌جاي مصرف قند يا ديگر مولكول‌هاي ارگانيك، با مصرف كربن‌دي‌اكسيد رشد مي‌كند. دانشمندان مي‌گويند اين دستاورد نقطه‌ي عطفي درزمينه‌ي مهندسي باكتري‌ها است؛ زيرا عملكرد داخلي يكي از رايج‌ترين ارگانيسم‌هاي مدل زيست‌شناسي را تغيير مي‌دهد.
اي‌كولايِ مصرف‌كننده‌ي كربن‌دي‌اكسيد مي‌تواند در آينده براي ايجاد مولكول‌هاي كربن ارگانيكي به‌كار برده شود كه بتوانند به‌منظور سوخت زيستي يا توليد غذا استفاده شوند. محصولاتي كه به اين شيوه ساخته شوند، درمقايسهبا روش‌هاي توليد معمول، گاز كمتري منتشر خواهند كرد و به‌طور بالقوه قابليت حذف گاز از هوا دارند. نتايج اين پژوهش در مجله‌ي Cell منتشر شده است. توبياس ارب، متخصص بيوشيمي مؤسسه‌ي ماكس پلانك، دراين‌باره مي‌گويد:
اين كار مانند پيوند قلب متابوليك است.
گياهان و سيانوباكتر‌هاي فتوسنتزكننده (ميكروب‌هاي آبزي توليدكننده‌ي اكسيژن)، از انرژي حاصل از نور براي تبديل يا تثبيت كربن‌دي‌اكسيد به واحدهاي ساختاري حاوي كربن نظير DNA و پروتئين‌ها و چربي‌ها استفاده مي‌كنند؛ اما اصلاح ژنتيكي اين ارگانيسم‌ها دشوار است. اين امر موجب كندشدن تلاش براي تبديل آن‌ها به كارخانه‌هاي زيستي شده است. درمقابل، مهندسي باكتري ايكولاي نسبتا ساده است و رشد سريعي دارد؛ بنابراين، تغييرات ايجادشده در آن را مي‌توان به‌سرعت آزمود و در جهت بهينه‌كردن تغييرات ژنتيكي حركت كرد. البته اين باكتري بيشتر تمايل دارد روي قندهايي نظير گلوكز رشد كند و به‌جاي مصرف كربن‌دي‌اكسيد، آن را به‌عنوان ماده‌اي زائد خارج كند.
ران ميلو و همكارانش در مؤسسه‌ي علوم ويزمن، چندين سال است كه به دست‌كاري رژيم غذايي ايكولاي مشغول‌اند. آن‌ها در سال ۲۰۱۶ سويه‌اي از باكتري ايجاد كردند كه كربن‌دي‌اكسيد را مصرف مي‌كرد. البته اين ماده فقط بخش كوچكي از مصرف كربن ارگانيسم را تشكيل مي‌داد و ساير كربن حاصل تركيب ارگانيكي به‌نام «پيروات» بود.
ميلو و گروهش در آخرين پژوهششان، براي ايجاد سويه‌اي از ايكولاي كه بتواند تمام كربن مصرفي خود را از كربن‌دي‌اكسيد بگيرد، از تركيبي از مهندسي ژنتيك و تكامل آزمايشگاهي استفاده كردند. آن‌ها ابتدا ژني را به باكتري وارد كردند كه كدكننده‌ي آنزيمي است كه موجودات فتوسنتزكننده را قادر مي‌سازد كربن‌دي‌اكسيد را به كربن ارگانيك تبديل كنند.
گياهان و سيانوباكتري‌ها انرژي لازم براي اين كار را از نور مي‌گيرند؛ اما اين كار براي ايكولاي امكان‌پذير نبود. پژوهشگران براي حل اين اشكال، ژني را وارد ژنوم باكتري كردند كه به باكتري اجازه مي‌داد انرژي لازم خود را از مولكولي ارگانيك به‌نام «فرمات» (Formate) بگيرد. البته حتي با ايجاد اين تغييرات نيز باكتري از تعويض وعده‌ي غذايي قندي خود با مولكول كربن‌دي‌اكسيد امتناع كرد. پژوهشگران براي هدايت باكتري در اين مسير، نسل‌هاي متمادي ايكولاي را به‌طور پيوسته كشت كردند و به آن‌ها تنها مقادير كمي از قند و كربن‌دي‌اكسيدي در غلظت حدود ۲۵۰ برابر غلظت كربن‌دي‌اكسيد موجود در اتمسفر زمين دادند. آن‌ها اميدوار بودند باكتري جهش‌هايي پيدا كند كه آن را با رژيم غذايي جديد سازگار كند. پس از حدود ۲۰۰ روز، نخستين سلول‌هايي پديدار شدند كه مي‌توانستند از كربن‌دي‌اكسيد به‌عنوان تنها منبع كربن خود استفاده كنند. پس از ۳۰۰ روز نيز، رشد اين باكتري در محيط آزمايشگاه درمقايسهبا رشد باكتري‌هايي بيشتر شد كه نمي‌توانستند كربن‌دي‌اكسيد را مصرف كنند.
به‌گفته‌ي پژوهشگران، سويه‌هاي ايكولاي مصرف‌كننده‌ي كربن‌دي‌اكسيد يا اتوتروف روي قند نيز رشد مي‌كنند. درمقايسهبا ايكولاي معمولي كه هر ۲۰ دقيقه يك‌بار دوبرابر مي‌شود، ايكولاي اتوتروف تأخير دارد و وقتي در اتمسفر حاوي ۱۰ درصد كربن‌دي‌اكسيد پرورش داده مي‌شود، هر ۱۸ ساعت يك‌بار تقسيم مي‌شود. اين باكتري‌ها نمي‌توانند بدون قند در سطوح اتمسفري كربن‌دي‌اكسيد زندگي كنند؛ سطوحي كه در‌حال‌حاضر حدود ۰/۰۴۱ درصد است.
ميلو و گروهش اميدوار هستند كاري كنند باكتري‌هاي آن‌ها بيشتر رشد يابند و در سطوح پايين‌تر كربن‌دي‌اكسيد بتوانند زندگي كنند. آن‌ها همچنين مي‌كوشند درك كنند چگونه ايكولاي در جهت مصرف كربن‌دي‌اكسيد تكامل پيدا كرده است. به‌انديشه متخصصين مي‌رسد تغيير در ۱۱ ژن موجب كسب اين توانايي شده است و پژوهشگران مشغول مطالعه چگونگي اين موضوع هستند. چريل كرفلد، مهندس زيستي از دانشگاه ايالتي ميشيگان مي‌گويد:
اين كار نقطه‌ي عطفي است و نشان‌دهنده‌ي قدرت تلفيق مهندسي و تكامل در بهبود فرايندهاي طبيعي است.
پيش‌از‌اين، از ايكولاي براي ساخت نسخه‌هاي مصنوعي از مواد شيميايي مفيدي مانند انسولين و هورمون رشد انساني استفاده شده است. ميلو مي‌گويد كار گروهش مي‌تواند باعث گسترش توليدات باكتري شود و حتي سوخت‌هاي تجديدپذير و غذا و ديگر مواد از اين راه توليد شود؛ اما چنين پيشرفت‌هايي به اين زودي حاصل نمي‌شود. ارب نيز با اين موضوع موافق است:
اين مقاله‌اي براي اثبات مفهوم است و چندين سال طول مي‌كشد تا بتوانيم متخصصدي از اين ارگانيسم ببينيم.
هم انديشي ها