חיידקים שאוכלים אוויר ומייצרים דלק

מדעני מכון ויצמן למדע הינדסו חיידקים ליצירת סוכר מגז החממה פחמן דו-חמצני

 

חיידקים שאוכלים אוויר ומייצרים דלק. איור: פרופ' רון מילוא, מכון ויצמן
חיידקים שאוכלים אוויר ומייצרים דלק. איור: פרופ' רון מילוא, מכון ויצמן

כל החיים על-פני כדור-הארץ מתבססים, בדרך זו או אחרת, על קיבוע פחמן: היכולת של צמחים, אצות וחיידקים מסוימים "לשאוב" מהסביבה פחמן דו-חמצני (CO2) ולהמיר אותו – בסיוע אנרגיית השמש – לסוכרים המשמשים חומר מוצא הכרחי לתהליכי החיים (תהליך הקרוי קיבוע פחמן). במעלה רשת המזון, מצויים יצורים שונים (שחלק מהם סבורים, אולי בטעות, שהם "מתקדמים יותר"), שפועלים בכיוון ההפוך: הם צורכים סוכרים (שמפיקים היצורים והצמחים היצרניים) ו"בתמורה", משחררים לסביבה פחמן דו-חמצני. דרך גידול זו, מכונה "הטרוטרופיזם" או בעברית "צרכנות". בני-האדם הם כמובן "צרכנים" במובן הביולוגי משום שמקור כל המזון אותו אנו צורכים מגיע מתהליכי קיבוע פחמן של יצרנים שאינם בני-אדם.

האם אפשר "לתכנת מחדש" יצור שמצוי במעלה רשת המזון, צורך סוכרים ומשחרר פחמן דו-חמצני, כך שישתמש בפחמן דו-חמצני מהסביבה, וייצר סוכרים הנחוצים לו לבניית גופו? מתברר שזה בדיוק מה שעשו באחרונה מדעני מכון ויצמן למדע. ד"ר ניב אנטונובסקי, שהוביל את המחקר במעבדתו של פרופ' רון מילוא במחלקה למדעי הצמח והסביבה, אומר שהיכולת לשפר קיבוע פחמן חיונית ליכולתנו להתמודד עם אתגרים עתידיים כמו הצורך לספק מזון לאוכלוסייה גדלה, על משאבי קרקע פוחתים, תוך הפחתת השימוש בפחם, נפט וגז טבעי.

מדעני המכון, שביקשו להתכונן לאתגר, החליטו לנסות להכניס את המסלול המטבולי שמבצע קיבוע פחמן וייצור סוכרים (מעגל קלוין) לחיידק E. coli, שידוע דווקא כ"צרכן" – יצור שאוכל סוכר ומשחרר פחמן דו-חמצני.

מסלול חילוף החומרים של קיבוע פחמן ידוע היטב, ופרופ' מילוא וחברי קבוצתו העריכו כי בתכנון נכון הם יוכלו לצרף את הגנים שמכילים את המידע הנחוץ לבנייתו, לגנום של החיידקים. עם זאת, האנזים העיקרי המשמש לקיבוע פחמן, Rubisco, עובד עם חומר שמשתתף בחילוף חומרים (מטבוליט) שידוע שהוא רעיל לתאים חיידקיים. לפיכך, העיצוב הגנטי המחודש של החיידק היה חייב לכלול הסדרה מדויקת של רמות ההתבטאות של הגנים השונים, על-פני מסלול רב-שלבי.

במובן מסוים, התוכנית המתוכננת היטב של צוות המחקר הצליחה: החיידקים אכן ייצרו אנזימי קיבוע פחמן, ואלה פעלו כראוי. אבל המנגנון, כמכלול, לא ביצע את מלאכתו ו"לא סיפק את הסחורה". ד"ר אנטונובסקי: "כמובן, יש לנו עסק עם אורגניזם שהתפתח במהלך האבולוציה במשך מיליוני שנים כדי לאכול סוכר, לא פחמן דו-חמצני. לכן החלטנו לרתום את האבולוציה כדי שתסייע לנו ליצור את המערכת שאליה התכוונו".

ד"ר אנטונובסקי, פרופ' מילוא וחברי קבוצת המחקר ובהם ד"ר יהודית זוהר, תלמיד המחקר בעבר ד"ר ארן בר-אבן, תלמידי המחקר שמואל גלייזר ואלעד הרץ וחוקרים נוספים, גידלו את החיידקים ודחקו אותם – לאט ובהדרגה – לפתח תיאבון לפחמן דו-חמצני. בהתחלה, יחד עם בועות של פחמן דו חמצני שביעבעו במכלים בנדיבות, הוצע לחיידקים גם חומר (פירובט) שיכול להיות מקור אנרגיה, וכן מעט מאוד סוכר, שמספיק בקושי רב להישרדות. כך, באמצעות שינוי תנאי הסביבה, ויצירת עקה, אילצו המדענים את החיידקים ללמוד, בדרך של הסתגלות והתפתחות, לנצל את החומר הנפוץ יותר בסביבתם. בחלוף חודש, המצב כמעט לא השתנה. החיידקים סירבו "לקבל את הרמז". אבל אחרי כחודש וחצי, החלו חיידקים מסוימים להראות סימנים שהם לא "רק שורדים". בחודש השלישי הצליחו המדענים לגמול את החיידקים המפותחים מהסוכר ולגדלם על פחמן דו-חמצני ופירובט בלבד. תיוג איזוטופי של מולקולות הפחמן הדו-חמצני העלה כי זה אכן היה החומר ששימש את החיידקים ליצירת חלק ניכר ממאסת הגוף שלהם, כולל כל הסוכרים הדרושים ליצירת התא.

בשלב זה ריצפו המדענים את הגנום של החיידקים המפותחים, ומצאו שינויים רבים שהיו פזורים בו. "הם היו שונים לחלוטין מהתחזיות שלנו", אומר פרופ' מילוא. "נדרשו לנו שנתיים של עבודה קשה כדי להבין מי מכל השינויים האלה באמת חיוניים, ולפענח את ה'היגיון' שמונח בבסיס ההתפתחות שעברו". חזרה על הניסוי (והמתנה נוספת של חודשים) נתנה למדענים רמזים חיוניים לזיהוי המוטציות ההכרחיות לשינוי הרגלי התזונה של חיידקי ה-E. coli, כך שבמקום לצרוך סוכר, הם יצרכו פחמן דו-חמצני.

פרופ' מילוא: "היכולת לתכנת או להנדס מחדש חיידקי E. coli כך שיקבעו פחמן, עשויה לתת לחוקרים ארגז כלים חדש ללימוד ולשיפור התהליך הבסיסי הזה". במימוש הנוכחי, החיידקים נדרשים לקבל את האנרגיה שלהם ממקור שיש בו כבר פחמן ולפלוט אותו לאוויר. בעתיד, צופים המדענים, אפשר יהיה להחיל את התובנות שהושגו במחקר זה, גם על עיצוב או הנדסה של חיידקים שיספגו פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה וימירו אותו באנרגיה אצורה. בטווח הרחוק יותר, תובנות המחקר עשויות ללמד אותנו איך להגדיל את היבולים החקלאיים באמצעות מסלולי קיבוע פחמן שמותאמים יותר להזנת אוכלוסיית העולם הגדלה.

 

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

30 תגובות

  1. טרוליק וחצי.

    תודה על האובססיה שלך איתי.

    תוכל להצביע על תגובה אחת ויחידה שלך באיזה מקום ובאיזה זמן שלא עוסקת רק בי?

  2. לדניאל' לה
    כל מה שכתבת נכון אבל לא שייך. אנחנו לא משתמשים באנרגיה כדי לייצר את אותה כמות של אנרגיה. במקום שתרוץ וחכנה אותי כאחד שלא מבין כלום וכו וכו , אז בבקשה התעמק קצת ואולי תרד לסוף דעתי הצנועה. אני לא מבין גדול במדעים אבל זה א, ב, של המדע וכל ילד בגנון יודע זאת.
    חוץ אולי מדני, ילד שלי נחמד.
    יום טוב
    ושוב, נא להגיב בעדינות
    יהודה

  3. יודלה
    כאשר שואבים נפט מן האדמה ומובילים אותו לתחנה כוח גם כן משתשים באנרגיה כדי ליצור אנרגיה. צריך אנרגיה כדי לשאוב את הנפט מהאדמה, צריך אנרגיה עבור הספינות המעבירות את הנפט לתחנות כוח. מסקנה . אתה ממשיך לפלוט שטויות בכמויות מסחריות.. צר לי אבל אתה לא מבין גדול במדעים.

  4. יהודה, במאמר המלא אכן מפורט שהמצב הנוכחי – הכנסת פחמן לטובת קיבוע פחמן – הוא שלב ביניים בדרך ל- הכנסת אנרגיה לקיבוע פחמן. המאמר פיתח את היכולת לבצע פחמן סינטטי שלא היתה קיימת בעבר, והיעד העתידי הוא לבצע אותו על בסיס אנרגיה מתחדשת ולא על בסיס אנרגיה שמופקת מחומרים פחמניים אורגנים .

  5. יודה

    כל מיקרוב יודע כבר מינקות איך לצרוך אנרגיה ולהמיר אותה לפד״ח, ורבים אכן עושים זאת. הטריק האמיתי הוא היפוך האנטרופיה המקומית, כמו שעושים הצמחים.

    אבל להבנתי, הפירובט הזה הוא מקור האנרגיה (ולא שיש לי מושג מה זה פירובט).

  6. מאיה
    החיידקים האלה אמורים ליצר דלק מדו תחמוצת הפחמן. אם כדי ליצר דלק הכנסנו להם דלק, אז לא עשינו כלום ורק הוצאות אולם אם לקחנו דו תחמוצת הפחמן ואור שמש חינם ומים חינם והם מזה ייצרו לנו דלק אז הרווחנו!. לזה הכוונה
    לילה טוב
    יהודה

  7. יהודה
    אני לא מבינה את מה שאמרת. בוודאי שלהכניס אנרגיה כדי לקבל אנרגיה. זה מה שהמערכת הביולוגית עושה – ממירה סוג אחד של אנרגיה בסוג אחר של אנרגיה – אנרגיות לא שימושיות באנרגיות שימושיות. אני מפספסת משהו?

  8. יריב
    הרעיון שלך לא מקובל עלי בלשון המעטה. להכניס אנרגיה לחיידקים כדי לקבל…. אנרגיה?, אז מה הועילו חכמים??, אני מאמין שגם החיידקים ישתמשו בתהליך של הפוטו סינטזה לצורך כך.
    המאמר היה צריך לפרט בנושא, לדעתי.
    יהודה

  9. ניסוי ממש מגניב לדעתי, אהבתי מאד את הרעיון, את הביצוע ואת התוצאות. ככה עושים מדע, אבולוציה מול העיניים ועדיין יש כאלו שמכחישים.

  10. לוז,

    יכול להיות שזה היה התחליף לאנרגיית השמש:

    ״יחד עם בועות של פחמן דו חמצני שביעבעו במכלים בנדיבות, הוצע לחיידקים גם חומר (פירובט) שיכול להיות מקור אנרגיה״.

  11. בפוטוסינטזה, מקור האנרגיה באור. תהליך פרוק פחמן דו חמצני הוא תהליך אנדותרמי. מה מקור האנרגיה של החידקים?

  12. זה דיי דומה לתהליך הפוטוסינתזה בצמחים רק ששם התהליך מבוסס גם על קרינת אור ונוצרות בו חוץ מסוכרים גם מולקולות של חמצן, כאן לפי מה שאני מבין התהליך מעט שונה.

  13. יהודה,

    כן פחמן דו חמצני ומים מכילים אטומי חמצן שמשמשים ליצירת הסוכרים, חשבתי שדיברת על מולקולות של חמצן חופשי שמצויות באוויר משום שזה החשש שהשתמע מהתגובות הראשונות שנכתבו כאן.

  14. בהנחה שהחיידקים ייצרו סוכר גלוקוז C6H12O6 הם יוכלו לקבל את ה H מהמים ומשם ומהפד"ח את החמצן. כימיה פשוטה. ידע אישי.
    נא להגיב בעדינות
    יהודה

  15. יהודה,

    ״בתהליך ייצור הסוכרים ישתמשו החיידקים גם בהרבה חמצן אותו ייקחו מהמים או מהאוויר״

    אני סקרן, על מה דבריך מבוססים ?

    או שגם אתה התבלבלת ?

  16. כן, קראתי את המאמר בעניין רב.
    ציינתי חמצן בטעות, התכוונתי לפחמן דו חמצני. במידה והחיידק יתרבה בלי שליטה והדבר היחיד שיגביל את התרבותו הוא פד"ח, הוא ימשיך להתרבות עד שרמת הפד"ח תרד לרמה שלא תספיק לו.

    כרגע אנחנו שבויים בקונספציה שפד"ח הוא דבר רע שיש למצוא דרכים להיפטר ממנו, אבל הוא רע רק בגלל שכרגע הוא בעודף באטמוספרה. אם הוא יהיה בחוסר, נהיה בבעיה שונה.

  17. יהודה,

    על מה דבריך מבוססים?

    לא ראיתי אזכור לדבר כזה בכתבה, ולגבי תחרות עם הצמחים… נראה לי שיש מספיק פחמן דו חמצני לכולם, כרגע הבעיה היא איך להיפטר ממנו.

  18. ליריב ואחרים
    בתהליך ייצור הסוכרים ישתמשו החיידקים גם בהרבה חמצן אותו ייקחו מהמים או מהאוויר. אבל חיידק כזה שחומק לאוויר העולם עלול להתחרות בתהליך הפוטוסינטזה של הצמחים ולגרום לצמחים לכשל עצום. הייתי מעדיף שתיבדק הבעייה הזאת. אם היא לא רצינית אזי לחיידקים האלה, שיקטינו את פליטת דו תחמוצת הפחמן יש תועלת עליונה., ובנוסף גם בבעיית התחממות כדור הארץ.
    יהודה

  19. אתם בטוחים שקראתם את הכתבה? מדברים כאן על חיידקים שבדומה לצמחים צורכים פחמן דו חמצני (אותו פחמן דו חמצני שאנחנו פולטים בתהליך הנשימה שלנו) והופכים אותו לסוכרים לשימוש הגוף.

    על איזו סכנה אתם מדברים? איפה הזכירו כאן צריכה של חמצן ? להיפך חיידקים כאלה עשויים רק להועיל ולעזור לנקות את האטמוספירה מפחמן דו חמצני שגורם להתחממות כדור הארץ.

  20. מצטרף לשני המגיבים לפני.
    מדהים ומסוכן הם בדיוק שני הדברים שעלו במוחי תוך כדי קריאה.
    מעניין אם דליפת חיידקים מהונדסים כאלה עלולים לגרום לירידה באחוז החמצן באטמוספרה ולחיסול מיני צמחים.

  21. חיידק אחד כזה שדולף מהממעבדה ומצליח לשרוד עלול להוות בעיה רצינית ביותר אם ימצא נישה בה הוא יכול לשרוד ולהמשיך את האבולוציה שלו.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן