باحثون في ميونخ يطورون مساراً يعمل بالطاقة الشمسية لإنتاج الأحماض الأمينية من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين

كيف يعمل نظام الإنزيم

تتم العملية على مراحل. في البداية، تُنتج الكهرباء المتجددة الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي. يتحد هذا الهيدروجين مع ثاني أكسيد الكربون لتكوين الميثانول. ثم تقوم إنزيمات متخصصة بتحويل الميثانول عبر سلسلة من التفاعلات حتى يصبح أحماضًا أمينية، وهي اللبنات الأساسية للبروتينات.

يصف الفريق التصميم بأنه "سهل التركيب والتشغيل". يمكن استبدال وحدات الإنزيم أو تعديلها حسب المركب المستهدف. ينتج الإصدار الأحدث سبعة أحماض أمينية. وقد أثبتت دراسات سابقة فعالية هذه الطريقة مع حمض L-ألانين وحده. أما الدراسة الجديدة، المنشورة في مجلة Nature Communications، فتضيف الجليسين، والسيرين، وحمض L-أسبارتيك، وحمض L-فالين، وحمض L-جلوتاميك، وحمض L-برولين.

قالت فيكتوريا ليمان، الباحثة في قسم كيمياء الموارد الحيوية بجامعة ميونخ التقنية، إن الأحماض الأمينية تُستخدم على نطاق واسع في علف الحيوانات لتلبية احتياجاتها من البروتين، لا سيما في إنتاج الألبان. وأضافت أن أساليب الإنتاج الحالية تستهلك موارد كثيرة للغاية.

يُقدّم فريق جامعة ميونخ التقنية بحثه في سياق مشكلة زراعية ملحة. وتشير توقعات الأمم المتحدة إلى أن الطلب العالمي على الغذاء قد يرتفع بنحو 60% بحلول عام 2050، بينما من المتوقع أن تزداد مساحة الأراضي الزراعية المتاحة بشكل طفيف فقط خلال الفترة نفسها.

سياق الأمن الغذائي

يدفع هذا النقص الاهتمام بسلاسل إمداد البروتين التي تعتمد بشكل أقل على الأرض والمياه والمحاصيل كثيفة الاستهلاك للطاقة. إذ يستهلك إنتاج الأحماض الأمينية بالطرق التقليدية كميات كبيرة من كل منها. ومن شأن مسار يعتمد على الطاقة الشمسية وثاني أكسيد الكربون أن يقلل الاعتماد على هذه المدخلات، على الأقل من حيث المبدأ.

قال فولكر سيبر، أستاذ كيمياء الموارد الحيوية ورئيس جامعة ميونخ التقنية في شتراوبينغ، إن المشروع يوجه ضوء الشمس إلى ناقلات الطاقة الكيميائية قبل تحويلها إلى لبنات بناء بروتينية مفيدة. وأضاف أن هذا النهج قد يُحسّن، مع مرور الوقت، إنتاجية الأراضي المتاحة ويدعم إنتاج الأحماض الأمينية بشكل أكثر استدامة.

لا تزال هذه الادعاءات بحاجة إلى اختبار على نطاق واسع. ويقر الباحثون بأن الإنتاج الحالي منخفض للغاية بالنسبة لأي تطبيق تجاري.

يُحدد فريق جامعة ميونخ التقنية استخداماتٍ تتجاوز تغذية الماشية. فالأحماض الأمينية السبعة التي يُنتجها النظام حاليًا تُعدّ أيضًا مكوناتٍ أساسية في أوساط التغذية لإنتاج اللحوم المستزرعة. ويربط هذا التطبيق التكنولوجيا بجهودٍ منفصلة ولكنها ذات صلة لتقليل المساحة اللازمة لتوفير البروتين.

تطبيقات محتملة تتجاوز علف الحيوانات

يعتقد الباحثون أن نفس المنصة يمكن أن تدعم في نهاية المطاف سلاسل القيمة الأخرى القائمة على ثاني أكسيد الكربون، على الرغم من أنهم لم يحددوا أيها في المواد المنشورة.

تتمثل الأولوية التقنية العاجلة في تحسين أداء الإنزيم. ويبقى المردود هو العائق الرئيسي. إن الفجوة بين التجارب المخبرية والعمليات الصناعية كبيرة، والفريق صريح بشأن هذه الفجوة.

ما تُظهره الأبحاث وما لا تُظهره

هذا مثال توضيحي في مجال البيولوجيا التركيبية. يُظهر أن المسار الكيميائي قابل للتطبيق، ولكنه لا يُظهر أن العملية قادرة على إنتاج الأحماض الأمينية بكميات تنافسية من حيث التكلفة.

تُعدّ ورقة بحثية منشورة في مجلة Nature Communications المصدر الرئيسي الموثوق. لم تُعلن جامعة ميونخ التقنية عن شريك تجاري أو محطة تجريبية. ولم يُنشر أي جدول زمني للتوسع.

بالنسبة للمستثمرين وصناع السياسات الذين يتابعون مجال البروتينات البديلة، يُعد هذا البحث جديرًا بالملاحظة لسببٍ محدد. فهو يربط ثلاثة مجالات تكنولوجية منفصلة، ​​هي الطاقة المتجددة، واستخدام الكربون من الهواء مباشرةً، والكيمياء الحيوية الدقيقة المرتبطة بالتخمير، في سلسلة إنتاج واحدة. ويجذب كل مجال من هذه المجالات بالفعل رؤوس أموال كبيرة. ويمكن لنظام يدمج هذه المجالات الثلاثة، إذا تحسنت الإنتاجية بشكلٍ ملحوظ، أن يُغير اقتصاديات إمداد الأحماض الأمينية لمصنعي الأعلاف والأغذية.

يتسم الباحثون أنفسهم بالدقة في ادعاءاتهم. يشير هذا العمل إلى طريقة أقل اعتمادًا على الأرض لإنتاج المواد الخام التي تعتمد عليها أنظمة الغذاء الحديثة. أما إمكانية وجود نسخة صناعية من هذه العملية فستعتمد على تطورات هندسة الإنزيمات التي لا تزال متقدمة على العلم الحالي.