ננו-יצורים שצורכים אור ופחמן דו-חמצני ומיצרים פלסטיק ודלק

חוקרים הצליחו להפוך חיידקים לאורגניזמים ננו-ביו-היברידיים המסוגלים לצרוך פחמן דו-חמצני וחנקן הנמצאים באוויר ולייצר מתוכם מגוון סוגי פלסטיק ודלק – צעד ראשון מבטיח אל עבר לכידה זולה של פחמן וייצור ידידותי לסביבה של כימיקלים

החוקרים השתמשו בנקודות קוונטיות (חלקיק בסדר גודל ננומטרי, העשוי מוליך למחצה, אשר בו ישנו תיחום קוונטי) מושרות אור על מנת להפעיל אנזימים מוגדרים בתוך תאי חיידקים והצליחו ליצור “מפעלים חיים” המסוגלים לצרוך פחמן דו-חמצני מזיק ולהמיר אותו למוצרים שימושיים כגון פלסטיק ביו-מתכלה, בנזין, אמוניה ואפילו ביו-דיזל.

“האמצאה מהווה עדות לעוצמתם של תהליכים ביוכימיים,” אמר Prashant Nagpal, הכותב הראשי של המאמר המתאר את המחקר, פרופסור במחלקה להנדסה כימית וביולוגית באוניברסיטת קולורדו. “אנו בודקים שיטה שתוכל לשפר את מידת הלכידה של פחמן דו-חמצני, זאת במטרה להיאבק בשינוי האקלימי, ואולי, ביום מן הימים, שיטה שתוכל להחליף שיטות ייצור קיימות של פלסטיק ודלק שהן עתירות פחמן”.

המיזם החל עוד בשנת 2013, כאשר צוות החוקרים התחיל לבחון את היכולת הרחבה של נקודות קוונטיות ננוסקופיות שהן מוליכים למחצה זעירים הדומים לאלו המשמשים במסכי טלוויזיה. ניתן להזריק באופן סביל נקודות קוונטיות לתוך תאים ולתכנן אותן כך שיתאגדו באופן עצמאי וייקשרו לאנזימים מוגדרים ולאחר מכן להפעיל אותם בפקודה תוך שימוש באורכי גל מוגדרים של קרינת אור. החוקרים ביקשו לדעת אם נקודות קוונטיות תוכלנה לשמש בתור סוג של מַצָּת שיוכל להפעיל אנזימים מוגדרים הנמצאים בתוך תאי חיידקים, אנזימים המסוגלים להמיר פחמן דו-חמצני וחנקן הנישאים באוויר הפתוח לחומרים שימושיים אחרים, אולם לא עושים זאת באופן רגיל בשל חוסר יכולתם לבצע הטמעת אור (פוטוסינתזה). על ידי הזרקת נקודות מהונדסות לתוך התאים של זני חיידקים נפוצים הנמצאים בקרקע, החוקרים הצליחו לגשר על הפער הזה (חוסר היכולת לבצע הטמעת אור). כעת, חשיפה לכמויות אפילו קטנות של אור שמש תפעיל את “התיאבון” של החיידקים לפחמן דו-חמצני, זאת ללא צורך במקור נוסף של אנרגיה או מזון על מנת לבצע את ההמרות הביוכימיות עתירות האנרגיה. “כל תא מייצר מיליונים של כימיקלים אלו והצלחנו להדגים שהם יכולים לבצע זאת בניצולות הגבוהות פי שניים מאלו הקיימות בטבע”, אמר החוקר הראשי.

החיידקים, הנמצאים במצב רדום במים, משחררים את המוצר שהם מיצרים אל פני השטח של המים, שם ניתן לאסוף אותו ולנצלו לתהליכי הייצור השונים. שילובים שונים של נקודות ואורכי גל מולידים מוצרים שונים: אורכי גל בתחום הצבע הירוק גורמים לחיידקים לצרוך חנקן וליצור את החומר אמוניה; ואילו אורכי גל בתחום הצבע האדום גורמים לחיידקים לצרוך פחמן דו-חמצני וליצור פלסטיק. התהליך מראה גם סימנים מבטיחים לכך שניתן יהיה להפוך אותו לתהליך תעשייתי בקנה מידה גדול יותר. במחקר נמצא כי אפילו כאשר מפעילים את המפעלים החיידקיים באופן רצוף למשך מספר שעות בו-זמנית, הם הראו סימנים מועטים להתכלות או לדלדול, עובדה המצביעה על כך שהתאים יוכלו להיות מופעלים מחדש, ולפיכך יצומצם הצורך לחדש אותם במסגרת כמות נוספת. “היינו מופתעים מאוד לגלות שהשיטה פעלה באופן יעיל כפי שהיא פעלה,” אומר החוקר הראשי. “אנחנו רק מתחילים לגלות את היישומים הסינתטיים של השיטה החדשה שלנו”.

התרחיש העתידי המיטבי, מסביר החוקר הראשי, הוא כזה שבו בתים ובתי עסק יזרימו את פליטות הפחמן הדו-חמצני שלהם ישירות לבריכת איגום סמוכה, שם חיידקים ימירו את הפליטות הללו לביו-פלסטיק שימושי. תוצרים אלו יוכלו להימכר בעלות נמוכה תוך צמצום טביעת הרגל הפחמנית שלהם. “הגם ששולי הרווח נמוכים והמחירים אינם תחרותיים מבחינת עלות בסיסית, עדיין צומחת תועלת חברתית משיטה זו”, אמר החוקר. “גם אם נמיר אפילו חלק קטן מהכמויות שבתוך מטמנות מקומיות, תהיה לכך השפעה לא מבוטלת על פליטות הפחמן של הערים. לא תהיה בכך גזירה קשה על התושבים. כבר עכשיו רבים מהתושבים מכינים בירה בבית שלהם, למשל, ופעולה זו אינה מסובכת יותר”.

המטרה כעת, אומר החוקר הראשי, היא לשפר את תהליך ההמרה ולהפוך את המחקר הזה לקורס חובה בלימודי התואר הראשון של מהנדסי כימיה וכימאים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת המדעי Journal of the American Chemical Society.
תקציר המאמר