מפרקים מחסומים

מדעני המכון פיתחו טיפול מקדים שמאפשר להסיר את הליגנין שבצמח מבלי לגרום נזק לסוכרים

את הביומאסה של צמחים ניתן להמיר לדלק נקי וידידותי לסביבה, אך המרה זו עדיין איננה מתבצעת בסדרי גודל גדולים, בין היתר בגלל עלותה הגבוהה. עם זאת, המחשה חזותית של התהליך ברמה אטומית עשויה לייעל את המרת הביומאסה – כך עולה ממחקר שביצעו מדענים ממכון ויצמן למדע ומהמעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת בארה”ב.

המחקר, אשר התפרסם בכתב-העת המדעי Science, אישר את הסברה, כי אחד המכשולים הגדולים בהמרת הביומאסה הוא הליגנין, הפולימר הקשיח אשר מחזק את הצמחים. ההמרה מתחילה בדרך כלל בטיפול מקדים, בו מרסקים את הליגנין בצורה מכנית, או הורסים אותו באמצעות כימיקלים. במחקר החדש פיתחו המדענים שיטה חדשנית, אשר איפשרה לראשונה לצפות בהרס הליגנין ברזולוציה של מולקולות ואטומים בודדים, באמצעות מיקרוסקופ לייזר מתקדם. התמונות הראו, כי הליגנין אכן מפריע לאנזימים לפרק מולקולות סוכר מורכבות בדפנות תאי הצמח. את מולקולות הסוכר האלה אפשר להפוך בהמשך לאתנול, סוג של דלק ביולוגי. בזכות גילוי זה איפיינו המדענים את הטיפול המקדים האידיאלי: יש להסיר את הליגנין מבלי לגרום נזק לסוכרים.

המדענים הישוו בין שתי שיטות לפירוק סוכרים. שיטה אחת הסתמכה על אנזימים בודדים המופקים מפטריות. בשיטה האחרת נעשה הפירוק על-ידי הצלולוזום – צבר מולקולרי טבעי המורכב ממספר אנזימים, שבאמצעותו מפרקים חיידקים, פטריות ומיקרו- אורגניזמים אחרים את הצלולוז שבצמחים. המדענים גילו, כי האנזימים הבודדים חדרו עמוק יותר לתוך תאי הצמח, בעוד שהצלולוזום פעל בעיקר על פני השטח שלהם. הבנת המנגנונים הכרוכים בפירוק הביומאסה הצלולוטית עשויה לעזור לעצב מערכות אנזימים אשר יפרקו ביעילות גדולה יותר את הדפנות של תאי הצמח.

את הצלולוזום גילו לפני כשלושה עשורים פרופ’ אד באייר מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן ופרופ’ רפאל למד מאוניברסיטת תל אביב. במחקר הנוכחי שיתף פרופ’ באייר פעולה עם מדענים מהמעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת בארה”ב, ביניהם ד”ר שי-יו דינג, שערך מחקר בתר-דוקטוריאלי במעבדתו של באייר בסוף שנות ה-90 של המאה הקודמת. ד”ר דינג וד”ר יו-סאן לי פיתחו את השיטות להמחשה החזותית של השפעות כימיקלים שונים על דופן תא הצמח, בטווחי רזולוציות שונים, שהגדול מהם גדול פי מיליון מהקטן ביותר: החל במילימטר וכלה בננומטר (מיליונית המילימטר). חברי הקבוצה הנוספים בארה”ב היו ד”ר מיכאל הימל, ד”ר יונינג זנג וד”ר ג’ון בייקר.

ממצאי המחקר עשויים לעזור לחוקרים לפתח טיפול מקדים מיטבי לביומאסה, ולשפר את פעילות האנזימים המפרקים אותה. שיפורים אלה יגדילו את תפוקת האתנול, ויפחיתו את עלות הפקת הדלק הביולוגי.

הערה היסטורית: הצלולוזום במחקר זה הופק מחיידק הקרוי Clostridium thermocellum, השייך לסוג החיידקים הקשורים היסטורית למכון ויצמן ולמדינת ישראל. ד”ר חיים ויצמן השתמש בחיידק אחר מאותו הסוג, Clostridium acetobutylicum – המכונה כיום “חיידק ויצמן” – כדי להפיק אצטון בזמן מלחמת העולם הראשונה. באחרונה גילו מדעני מכון ויצמן קישור נוסף בין עבר להווה: מחקרים גנטיים הראו, כי “חיידק ויצמן” מייצר צלולוזום משלו.