تبدیل قند به هیدروکربن‌های موجود در بنزین کاری شبیه کیمیاگری امروزی است؛ اما این دقیقاً همان کاری است که دانشمندان انجام داده‌اند.
محققان در مطالعه‌ای در ژورنال Nature Chemistry، گزارش کرده‌اند که از شگفتی‌های زیست‌شناسی و شیمی بهره برده‌اند تا گلوکز (نوعی قند) را به الفین‌ها (olefins) تبدیل کنند که نوعی هیدروکربن و یکی از چندین نوع مولکول تشکیل‌دهنده بنزین هستند.
این پروژه را ژن کیو وانگ (Zhen Q. Wang) بیوشیمیدانی از دانشگاه بوفالو و میشل سی وای چانگ (Michelle C. Y. Chang) بیوشیمیدانی از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی رهبری کردند.
این مقاله که در ۲۲ نوامبر ۲۰۲۱ منتشر شد، نشانگر پیشرفتی در تلاش‌ها برای تولید سوخت‌های زیستی پایدار است.
به گفته وانگ، الفین‌ها درصد کمی از مولکول‌های موجود در بنزینی را که در حال حاضر تولید می‌شود تشکیل می‌دهند، اما فرآیندی که این گروه توسعه داده‌اند احتمالاً می‌تواند در آینده برای تولید انواع دیگر هیدروکربن‌ها، از جمله برخی از اجزای دیگر بنزین، بهینه شود. وی همچنین اشاره می‌کند که الفین‌ها کاربردهای غیر سوختی نیز دارند، این مواد در روان‌کننده‌های صنعتی و به‌عنوان پیش‌ساز برای ساخت پلاستیک نیز استفاده می‌شوند.
ژن وانگ، استادیار علوم زیستی دانشگاه بوفالو، فلاسکی حاوی سویه‌ای از E. coli در دست دارد. این باکتری سلامت انسان را به خطر نمی‌اندازد. وانگ و همکارانش نشان داده‌اند که E. coli دستکاری ژنتیکی شده می‌تواند گلوکز را به گروهی از اسیدهای چرب تبدیل کند که سپس می‌تواند به هیدروکربن‌هایی به نام اولفین تبدیل شود. تصویر از داگلاس لوور (Douglas Levere) دانشگاه در بوفالو.
فرآیندی دو مرحله‌ای با استفاده از میکروب‌های قند خوار و یک کاتالیزور
محققان برای انجام این مطالعه از تغذیه اشرشیا کلی (Escherichia coli) با گلوکز شروع کردند این باکتری خطری برای سلامت انسان ندارند.
وانگ به شوخی می‌گوید: «این میکروب‌ها حتی بدتر از بچه‌های ما به شکر معتاد هستند.»
باکتری E. coli در این آزمایش‌ها مهندسی ژنتیکی شدند تا مجموعه‌ای از چهار آنزیم را تولید کنند که گلوکز را به ترکیباتی به نام اسیدهای چرب ۳-هیدروکسی (۳hydroxy fatty acids) تبدیل کنند. هنگامی‌که این باکتری‌ها گلوکز را مصرف کردند، شروع به تولید اسیدهای چرب کردند.
این پژوهشگران از کاتالیزوری به نام پنتوکسید نیوبیوم (Nb۲O۵) برای کامل شدن این تبدیل استفاده کرد تا قسمت‌های ناخواسته اسیدهای چرب را در فرآیندی شیمیایی برش دهد و محصول نهایی یعنی الفین‌ها را تولید کند.
دانشمندان آنزیم‌ها و کاتالیزور را از طریق آزمون‌وخطا شناسایی کردند. آن‌ها مولکول‌های مختلفی را با ویژگی‌هایی مناسب برای انجام کار مورد نظر آزمایش کردند.
دکتر وانگ می‌گوید: «ما آنچه را که زیست‌شناسی بهتر از همه می‌تواند انجام دهد را با آنچه شیمی بهتر از همه می‌تواند انجام دهد ترکیب کردیم و آن‌ها را برای ایجاد این فرآیند دو مرحله‌ای کنار یکدیگر قرار دادیم.» وی ادامه داد: «با استفاده از این روش، ما توانستیم الفین‌ها را به‌طور مستقیم از گلوکز بسازیم.»
باکتری‌های مهندسی ژنتیکی شده می‌توانند گلوکز را به اسید چرب تبدیل کنند. در ادامه اسیدهای چرب می‌توانند به هیدروکربن‌هایی به نام الفین (olefins) تبدیل شوند. سویه‌ای از E. coli که برای سلامت انسان خطری ندارد، در فلاسکی پر از مواد مغذی (محیط کشت زرد) رشد می‌کند. تصویر از داگلاس لوور، دانشگاه در بوفالو.
گلوکز از فتوسنتز حاصل می‌شود که CO۲ را از هوا خارج می‌کند
وانگ می‌گوید: «ساخت سوخت‌های زیستی از منابع تجدیدپذیری مانند گلوکز، توانایی بالقوه بالایی برای پیشرفت فناوری انرژی سبز دارد.»
وانگ توضیح می‌دهد: «گلوکز به‌وسیله گیاهان از طریق فتوسنتز تولید می‌شود که دی‌اکسید کربن (CO۲) و آب را به اکسیژن و قند تبدیل می‌کند؛ بنابراین کربن موجود در گلوکز و پس‌ازآن در الفین‌ها، در واقع از دی‌اکسید کربنی است که از جو خارج شده است.»
بااین‌حال، تحقیقات بیشتری لازم است تا مزایای روش جدید شناخته شود و مشخص شود آیا می‌توان این روش را به‌طور کارآمدی برای ساخت سوخت‌های زیستی یا برای اهداف دیگر افزایش مقیاس داد یا خیر. یکی از نخستین پرسش‌هایی که باید به آن پاسخ داده شود این است که فرآیند تولید الفین‌ها چه مقدار انرژی مصرف می‌کند. اگر هزینه انرژی بسیار زیاد باشد، لازم است فناوری بهینه شود تا در مقیاس صنعتی کاربردی باشد.
همچنین دانشمندان علاقه‌مند به افزایش بازده هستند. به گفته وانگ در حال حاضر، برای تولید حدود ۸ مولکول الفین، ۱۰۰ مولکول گلوکز لازم است. وی تمایل دارد تا با تمرکز بر وادار کردن E. coli برای تولید اسیدهای چرب ۳-هیدروکسی بیشتر به ازای هر گرم گلوکز مصرفی این نسبت را بهبود دهد.
منبع: SciTechDaily
Journal Reference:
Wang, Zhen Q., Heng Song, Edward J. Koleski, Noritaka Hara, Dae Sung Park, Gaurav Kumar, Yejin Min, Paul J. Dauenhauer, and Michelle C. Y. Chang. “A Dual Cellular–Heterogeneous Catalyst Strategy for the Production of Olefins from Glucose.” Nature Chemistry ۱۳, no. 12 (2021): 1178–۸۵. https://doi.org/10.1038/s41557-021-00820-0.