הפקת ביו-דלק מתאי שמרים

שמרים וסוכר מייצרים שמנים ושומנים, הידועים בשם ליפידים, שבהם ניתן להשתמש כתחליף למוצרים המופקים מנפט.

חוקרים מאוניברסיטת טקסס הצליחו לפתח מקור חדש של אנרגיה מתחדשת בצורת ביו-דלק, מתוך תאי שמרים שעברו הנדוס גנטי וסוכר שולחן רגיל. שמרים אלו מייצרים שמנים ושומנים, הידועים בשם ליפידים, שבהם ניתן להשתמש כתחליף למוצרים המופקים מנפט.

הפרופסור Hal Alper מהמחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת טקסס, יוסטון, יחד עם צוות החוקרים שלו, הצליחו לפתח את התהליך המקורי המבוסס על תאים חדשניים. לאור העובדה כי תאי השמרים גדלים בסביבה של סוכר, החוקרים כינו את ביו-הדלק הנוצר במסגרת תהליך זה “גרסה מתחדשת של נפט מתוק”.

התהליך החדש של החוקרים מצליח לייצר את הריכוז הגבוה ביותר של שמנים ושומנים שדווחו אי-פעם במסגרת תהליך של תסיסה, אותו התהליך בעזרתו מגדלים תאים מיוחדים שנועדו להמיר סוכר לתוצרים שימושיים אחרים, כגון אלכוהול, גזים או חומצות. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Communications ב-20 בינואר השנה.

החוקרים הצליחו לגרום לתאי השמרים להמיר עד 90% ממסתם לליפידים, שבהם ניתן להשתמש לאחר מכן להפקת ביו-דיזל. “לשם השוואה, הערך הליפידי מתקרב בשיעורו לריכוזים אותם אנו מכירים בתהליכים ביוכימיים תעשייתיים רבים,” מסביר החוקר הראשי. “ניתן לקחת את הליפידים שנוצרו ובאופן תיאורטי להניע בעזרתם רכבים.”

מאחר ורכיבים שומניים מהווים אבני בניין למוצרים ביתיים רבים, ניתן יהיה להשתמש בתהליך זה על מנת להפיק מגוון של מוצרים המופקים היום מנפט או משמנים טבעיים – החל מניילון, עבור בתוספי מזון וכלה בדלקים. ביו-דלקים וכימיקלים המופקים מתוך אורגניזמים חיים מיצגים חלק מבטיח משוק האנרגיה המתחדשת. בסך הכול, שוק הביו-דלקים העולמי צפוי להכפיל את מחזורו הכספי במהלך השנים הקרובות, מרמה של 83 מיליוני דולרים בשנת 2011 לרמה של 185 מיליוני דולרים בשנת 2021.

“לקחנו את זן השמרים ההתחלתי (Yarrowia lipolytica) והצלחנו להפוך את התאים שלו למפעל ליצירת שמן ישירות מתוך סוכר,” מסביר החוקר הראשי. “המחקר שלנו סולל את הדרך לתהליכים חדשים לחלוטין להפקת אנרגיה מתחדשת ופיתוחם של מקורות כימיים.” ביו-הדיזל המופק מתאי השמרים דומה בהרכבו לביו-הדיזל המופק מתוך שמן סויה. היתרונות בשימוש בתאי שמרים להפקת ביו-דיזל ברמה מסחרית טמונים בכך שאת תאי השמרים ניתן לגדל בכל מקום, הם אינם מתחרים על שטחי גידול יבשתיים או ימיים, וקל לשנות אותם גנטית מאשר מקורות אחרים של ביו-דיזל.

“בעזרת ההנדוס הגנטי של השמרים, צוות המחקר הצליח להפיק ביו-זרז ברמה כמעט מסחרית המשמש להפקה של רמות גבוהות של ביו-שמנים במהלך תסיסת פחמימות (סוכרים),” אמר המנהל של המרכז לכימיקלים ודלקים מתחדשים באוניברסיטת פלורידה. “זוהי הדגמה יוצאת מן הכלל לעוצמתה של הנדסה מטבולית.” עד היום, ייצור רמות גבוהות של ביו-דלקים ושמנים מתחדשים היווה יעד חמקמק, אולם החוקרים מאמינים כי התהליך שלהם יוכל להתקדם לרמת הפקה תעשייתית.

במאמץ הנדסי בקנה מידה גדול ושנמשך מעל ארבע שנים, החוקרים שינו גנטית את זן השמרים Yarrowia lipolytica, הן ע”י הסרה והן ע”י ביטוי-ביתר של גנים מוגדרים המשפיעים על ייצור הליפידים. בנוסף, החוקרים הצליחו לזהות את תנאי הגידול המיטביים הנבדלים מהתנאים הרגילים בתהליכים דומים. שיטות קיימות מסתמכות על העובדה כי מחסור מכוון בחנקן גורם לתאי השמרים לאחסן שומן וחומרים נוספים. החוקרים הצליחו למצוא מנגנון להפקת ליפידים ללא שימוש במחסור מכוון של חנקן. על הטכנולוגיה החדשה הזו נתבקש פטנט. “התאים שלנו לא נדרשים למחסור חנקן זה,” מסביר החוקר הראשי. “עובדה זו הופכת את התהליך שלנו להרבה יותר אטרקטיבי מנקודת מבט תעשייתית.” במהלך המחקר המדענים הצליחו להעלות את ריכוזי הלפידים ב-60 סדרי גודל יחסית לנקודת ההתחלה.

עם ריכוז של 90% ליפידים, התהליך החדש מצליח להפיק את תכולת הליפידים הגבוהה ביותר אי-פעם במסגרת הנדסה גנטית של תאי שמרים. לשם השוואה, תהליכים אחרים המבוססים על שמרים הצליחו להגיע לטווח ריכוזים של 80-50 בלבד. יחד עם זאת, תהליכים חלופיים אלו אינם מפיקים תמיד את הליפידים ישירות מסוכר, כפי שנעשה בתהליך חדשני זה. החוקרים ממשיכים לחפש דרכים נוספות להגברת ריכוזי הליפידים ולפיתוחם של מוצרים חדשים בעזרת שמרים מהונדסים אלו.

הידיעה על המחקר

משמאל: התאים ההתחלתיים בעלי תכולה של 15% ליפידים. מימין: תאים מהונדסים בעלי תכולה של כמעט 90% ליפידים.
[באדיבות: University of Texas at Austin]