דלק ירוק

דלק ממוחזר יכול להפחית את זיהום האוויר, לחסוך בעלויות ולעזור בשמירה על איכות הסביבה. האם בעתיד נוכל להפוך פסולת נייר לדלק ידידותי לסביבה? מחקר ישראלי חדש מציע דרך מקורית לעשות זאת

מאת:גליה אריאל

אחד המכשולים בפני ייצור דלקים ביולוגיים מחומרים אורגניים רבים, כמו פסולת חקלאית, הוא התאית (צלולוז) שהם מכילים. תאית מצויה בקליפות של צמחים רבים והיא אינה מתפרקת בקלות. האדם, למשל, אינו מסוגל לעכל תאית, שהיא פּוֹלימֶר של החד-סוכר גלוקוז, שעשוי לספק אנרגיה שימושית רבה.

פרופ’ אֶד באייר (Bayer), מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, חוקר חיידקים שמפרקים את שרשרת התאית ליחידות של חד-סוכר שמזין אותם. בשנות השמונים של המאה הקודמת, בשיתוף עם פרופ’ רפאל למד מאוניברסיטת תל-אביב, גילה פרופ’ באייר את ה”מכוֹנה” שמאפשרת לחיידקים לפרק את התאית, ואת עקרונות פעולתה. “מכונה זו, הקרויה צֶלוּלוֹזוֹם, בנויה מקבוצה של אנזימים הפועלים כמערכת, וכך הם מצליחים להתגבר על התאית ולפרק אותה לגורמים, מלאכה שיצורים גדולים בהרבה מהחיידקים אינם מצליחים לבצע”, הוא אומר.

התאית מהווה כמחצית מהחומר באתרי פסולת, כאשר עיקר הפסולת הזו הוא נייר שנערם ומצטבר שנה אחר שנה. לרוע המזל, חיידקים המצוידים בצֶלוּלוֹזוֹמים שמאפשרים להם לעכל (לפרק) תאית טבעית, מתקשים להתמודד עם התאית שבנייר התעשייתי. כדי לאפשר להם לבצע את המלאכה הזאת, החל פרופ’ באייר לחפש דרכים לשכלל את הצלולוזומים של החיידקים. בשיתוף עם פרופ’ למד הוא השתמש בשיטות של הנדסה גנטית כדי ליצור מאות גרסאות שונות של צלולוזומים, בתקווה שאחד מהם יתאפיין ביכולת לפרק את התאית שבנייר ביעילות מספקת.

בשלב זה חבר אליהם פרופ’ גדעון שרייבר, מומחה לעיצוב חלבונים והתאמת הפעילות ביניהם, מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע. בכוחות משותפים הצליחו המדענים לפתח צלולוזום מלאכותי בעל פעילות מוגברת, שמסוגל להפוך צלחת מעבדה מלאה בנייר גרוס, לנוזל של מולקולות סוכר פשוטות בתוך יום אחד.

>> מגזין גליליאו במתנה! לחצו כאן לקבלת ההטבה

מפסולת לדלק?

את הסוכרים הפשוטים שנוצרים בתהליך הזה אפשר להמיר לאֶתָנוֹל – דלק ביולוגי. בימים אלה מנסים המדענים להגביר את מידת יעילותו של התהליך הזה, כך שאפשר יהיה להפעילו בקנה מידה תעשייתי. הצלחה בתחום זה עשויה להוביל, בעתיד, לפיתוח תהליך של הפיכת פסולת נייר, שמהווה איום סביבתי, לדלק יעיל וידידותי לסביבה.

כיוון מחקר אחר של פרופ’ באייר הוא בדיקת יכולתו של הצלולולזום לפרק פולימרים, אך כאלה שמקורם ישירות בצמחים. את הביומאסה של צמחים אפשר להמיר לדלק נקי וידידותי לסביבה, אך ההמרה הזאת אינה מתבצעת עדיין בסדרי גודל גדולים, בין היתר בגלל עלותה הגבוהה. מתברר כי המרת הביומאסה ברמה אטומית עשויה לייעל אותו – כך עולה ממחקר שערך באייר בשיתוף עם מדענים מהמעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת בארצות-הברית.

המחקר, שהתפרסם בכתב-העת המדעי Science, אישר את הסברה כי אחד המכשולים הגדולים בהמרת הביומאסה הוא הליגנין, הפולימר הקשיח שמחזק את הצמחים. ההמרה מתחילה בדרך כלל בטיפול מקדים, שבו מרסקים את הליגנין בצורה מכנית או הורסים אותו באמצעות כימיקלים. במחקר זה פיתחו המדענים שיטה חדשנית שאפשרה לראשונה לצפות בהרס הליגנין ברזולוציה של מולקולות ואטומים בודדים, באמצעות מיקרוסקופ לייזר מתקדם. התמונות הראו כי הליגנין אכן מפריע לאנזימים לפרק מולקולות סוכר מורכבות הממוקמות בדפנות תאי הצמח. בזכות גילוי זה אפיינו המדענים את הטיפול המקדים האידיאלי: הסרת הליגנין מבלי לגרום נזק לסוכרים (שאותם ממירים בהמשך לאתנול).

בהמשך השוו המדענים את יכולתן של שתי השיטות לפרק סוכרים. שיטה אחת הסתמכה על אנזימים בודדים המופקים מפטריות, בשיטה אחרת נעשה הפירוק על ידי הצלולוזום. המדענים גילו כי האנזימים הבודדים חדרו עמוק יותר לתוך תאי הצמח, בעוד שהצלולוזום פעל בעיקר על פני השטח שלהם. הבנת המנגנונים הכרוכים בפירוק הביומאסה של התאית עשויה לעזור לעצב מערכות אנזימים שיפרקו ביעילות גדולה יותר את הדפנות של תאי הצמח.

במחקר זה שיתף פרופ’ באייר פעולה עם מדענים מהמעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת בארצות-הברית, בהם ד”ר שי-יו דינג שערך מחקר בתר-דוקטוריאלי במעבדתו של באייר במכון ויצמן למדע בסוף שנות התשעים של המאה הקודמת. ד”ר דינג וד”ר יו-סאן לי פיתחו את השיטות להמחשה חזותית של השפעות כימיקלים שונים על דופן תא הצמח, בטווחי רזולוציות שונים בשישה סדרי גודל (הגדול מהם גדול פי מיליון מהקטן ביותר): החל במילימטר ועד לננומטר (מיליונית המילימטר). חברי הקבוצה הנוספים בארצות-הברית 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 ויקטינו את עלות הפקת הדלק הביולוגי.

עוד בגליליאו:

* מחקר: כיצד סיבים תזונתיים יכולים למנוע שבץ מוחי?

* צפו: מפלצת ימית עם שלושה לבבות ועין בקוטר 30 ס”מ

* חוקרים פיתחו שבב לזיהוי סרטן השד