דלק מועשר בסיבים

גילויים חדשים של מדעני מכון ויצמן למדע עשויים לסלול את הדרך להפקת דלק ביולוגי בקנה מידה תעשייתי

גזם של עצים, קלחי תירס שהושלכו לפח או אפילו נייר שנזרק למחזור יכולים להוות מקור מצוין של פחמן לייצור אנרגיה מתחדשת. כל הנדרש לכך הוא לפרק את התאית (צלולוז) הקשיחה בדפנות תאי הצמחים לסוכרים קטנים ומסיסים יותר – מלאכה כלל לא פשוטה. צעד חשוב לקראת הגשמתה נעשה במחקר של מדענים ממכון ויצמן למדע ומאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן שהתפרסם בכתב-העת המדעי רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים (PNAS). המדענים חשפו אפיונים מבניים חשובים של הצלולוזום, קומפלקס אנזימים גדול המצוי במיקרו-אורגניזמים באדמה ובמים, אשר מפרק את דופן התאים של צמחים. הגילויים החדשים עשויים לקדם פיתוח צלולוזום מלאכותי להפקת דלק ביולוגי בקנה מידה תעשייתי.

הצלולוזום התגלה בתחילת שנות ה-80 של המאה הקודמת על-ידי פרופ’ אד באייר מהמחלקה למדעים ביומולקולריים של מכון ויצמן למדע ופרופ’ רפאל למד מאוניברסיטת תל אביב. מאז הוקדשו מאמצים רבים – כולל על ידי פרופ’ באייר עצמו – לייצור צלולוזום מלאכותי “לפי הזמנה”, המותאם לשימוש בתעשייה.

במחקר החדש, חברו פרופ’ באייר וד”ר יואב ברק מהמחלקה לתשתיות מחקר כימי, לפרופ’ דון למב, ד”ר אנדרס בארט ופרופ’ ילה הנדריקס מאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן, על מנת לברר כיצד מסודרות במרחב תתי-יחידות שונות של הצלולוזום. בעבר התקשו מדענים להשיג מידע זה מפני שהמבנה של הצלולוזום הינו דינמי: תתי-היחידות משנות מיקומן אחת ביחס לשנייה. המדענים הצליחו להתגבר על מכשול זה באמצעות טכנולוגיה מתקדמת הקרויה smFRET, שבה תגים פלואורסצנטיים המוצמדים למולקולות בודדות, מאפשרים למדוד את התנועתיות של מולקולות אלה בטווחי זמן של פחות מאלפית שניה. המדענים השתמשו בצלולוזום מהחיידק Clostridium thermocellum, המסוגל להפוך תאית ישירות לאתנול.

מהמחקר עלה כי קומפלקסים חלבוניים הקרויים קוהזינים, אבני הבניין העיקריות של הצלולוזום המשמשות כאתרי חיבור לאנזימים המרכיבים אותו, אינן מסודרות על גבי פיגום בזו אחר זו, אלא נמצאות כל הזמן בתנועה. בעוד תתי-היחידות של הצלולוזום מוחזקות יחדיו באמצעות “חבלים” ארוכים וגמישים הרועדים ומתפתלים ללא הרף, קוהזינים משתי תתי-יחידות סמוכות מגיבים זה לזה ומשנים מיקום. כך הם “רוקדים” אחד סביב השני עד שהם מוצאים את המיקום המיטבי להצבת אנזימי הפירוק. גמישות מבנית זו מאפשרת לצלולוזום להתחבר בדרך היעילה ביותר למולקולת התאית הגדולה ממנו בהרבה, ולפרק אותה. תוצאות הניסוי קיבלו אישור באמצעות מודל מחשב המדמה, ברמת האטום הבודד, את התגובות בין מולקולות שונות של קוהזין.

ממצאים אלה עשויים לסייע בתכנון צלולוזום מלאכותי לשימוש עתידי בתעשייה, אשר יוכל לפרק פסולת חקלאית, יבול חקלאי שלא נועד לאכילה וצורות נוספות של מסה ביולוגית צמחית, כולל מוצרים מעשה ידי אדם כגון פסולת נייר. כל זאת במטרה לייצר ביעילות דלק ביולוגי שיוכל להחליף את המאגרים המידלדלים של נפט, פחם וגז טבעי.