חומרי-גלם לפלסטיק מתוך צמחים מהונדסים

בתיאוריה, צמחים יוכלו להוות מפעלים “ירוקים” לגמרי, המהונדסים ליצירת חומרי-גלם שהיום מגיעים מכימיקלים מבוססי-נפט

בתיאוריה, צמחים יוכלו להוות מפעלים “ירוקים” לגמרי, המהונדסים ליצירת חומרי-גלם שהיום מגיעים מכימיקלים מבוססי-נפט. אולם הלכה למעשה, היכולת לגרום לצמחים לייצר ריכוזים גבוהים של התוצרים המבוקשים היוותה אתגר חמקמק למדענים. עתה, מדענים ממשרד האנרגיה האמריקאי מדווחים על צמח מהונדס המפיק ריכוזים גבוהים של תרכובות שתוכלנה לשמש בייצור פלסטיק. המחקר מפורסם ברשת בכתב-העת המדעי Plant Physiology.

“הצלחנו להנדס מסלול מטבולי חדש בצמחים לטובת ייצור סוג של חומצת שומן שתוכל לשמש כמקור לחומרי-מוצא לאבני-בניין כימיים להכנה של פלסטיק כגון פוליאתילן,” אמר הביוכימאי John Shanklin, המדען שהוביל את המחקר. “חומרי-הגלם של רוב המגיבים המשמשים היום בתעשיית הפלסטיק מגיעים מחומרים סינתטיים מבוססי נפט או פחם. הדרך החדשה שלנו לקבלת חומרי-גלם שמקורם בחומצות שומן המצויות בזרעי צמחים תהיה מתחדשת ובת-קיימא ללא גבול. אומנם עדיין נדרשת טכנולוגיה נוספת לשם המרה יעילה של חומצות השומן הצמחיות לאבני-הבניין הכימיים הדרושים, אולם המחקר שלנו מציג את ההוכחה כי רמות גבוהות של חומרי-גלם מבוקשים ניתנים לייצור בתוככי צמחים.”

השיטה מבוססת על התעניינותו ארוכת השנים של החוקר לגביי חומצות שומן – אבני-הבניין של שמנים צמחיים – האחראיים לייצורם. גילוי הגנים המקודדים לאנזימים האחראיים להפקה “הבלתי-טבעית” של שמן צמחי עודד חוקרים רבים למציאת דרכים לביטויים של גנים אלו ולהפקתם של שמנים מבוקשים במגוון צמחים.

“ישנם צמחים המייצרים באופן טבעי את חומצות השומן המבוקשות המכונות “חומצות שומן מסוג אומגה-7″ בזרעים שלהם – לדוגמא הצמחים ציפורן החתול (cat’s claw vine) ופתילת-המדבר (milkweed) – אולם התפוקה ומאפייני הגדילה שלהם אינם מתאימים לייצור מסחרי,” מסביר החוקר. ניסיונות קודמים לבטא את הגנים הרצויים בזני צמחים מתאימים יותר הובילו לקבלת ריכוזים הרבה יותר נמוכים של השמנים המבוקשים מאשר הריכוזים שנמצאו בצמחים שמהם בודדו הגנים. “הדבר מרמז כי יש צורך בשינויים נוספים במסלול המטבולי על-מנת להגדיל את ייצור שמני זרעי הצמחים המבוקשים,” ציין החוקר.

“על-מנת להתגבר על הבעיה של תפוקה נמוכה, ביצענו סדרות ניסויי הנדוס מטבולי שיטתיים בכדי להגביר את הייצור של חומצות שומן מסוג אומגה-7 בצמחים מהונדסים,” מסביר החוקר. לשם הוכחת ניסויים עקרוניים אלו, המדענים עבדו עם צמח מזן “תודרנית לבנה” (Arabidopsis), צמח נפוץ המשמש במעבדות מחקר.

אנזימים האחראיים לייצור חומצות שומן בלתי-טבעיות אלו הם גרסאות קצת שונות של אנזימים הקרויים “desaturases”, אשר מרחיקים אטומי מימן מוגדרים משרשראות חומצות השומן ליצירת קשרי פחמן-פחמן כפולים, כך שהם מבצעים “אנטי-רוויה” של חומצת השומן.

ראשית, החוקרים זיהו גרסאות מעט שונות וטבעיות של אנזימים אלו בעלי סגולות מבוקשות, אולם הם פעלו בצורה גרועה כאשר הם הוחדרו לצמח הנבדק. בשלב הבא הם הנדסו גרסא סינתטית של האנזים שעבדה מהר יותר ובבררנות גבוהה יותר מאשר האנזימים הטבעיים, אשר הביאו לגידול בתפוקה משני אחוזים עד כדי ארבעה-עשר אחוזים.

למרות שההישג מהווה שיפור, רמת תפוקה זו הייתה עדיין בלתי-מספיקה עבור ייצור בקנה-מידה תעשייתי. המדענים ביצעו לאחר-מכן מספר שינויים נוספים במסלולים המטבוליים של הצמחים. לדוגמא, הם ויסתו-מטה גנים המתחרים עם “המזון” של האנזימים מייצרי חומצות השומן הרצויות. לאחר שבחנו מספר מאפיינים באופן נפרד, החוקרים שלבו לאחר-מכן את המאפיינים המבטיחים ביותר לתוך צמח יחיד חדש.

הזן המהונדס היעיל ביותר ייצר חומצת שומן מסוג אומגה-7 בתפוקה של 71 אחוזים. הגדילה וההתפתחות של הזן המהונדס החדש לא הושפעו מהשינויים הגנטיים שהוכנסו אליו ומהייצור המוגבר של חומצת השומן מסוג אומגה-7.

גישה כללית זו – זיהוי וביטוי אנזימים טבעיים או סינתטיים, קביעת ההשפעה של שיפורים הנובעים משינויים גנטיים/מטבוליים נוספים, ושילוב הסגולות הטובות ביותר – עשויה להיות שימושית גם עבור שיפור הייצור של מגוון נרחב של חומצות שומן בלתי-טבעיות בזרעי צמחים אחרים.

הידיעה על המחקר