عملية جديدة تستخدم الضوء والإنزيمات لإنتاج مواد كيميائية أكثر خضرة

نجح باحثون في مركز الابتكار المتقدم في مجال الطاقة الحيوية والمنتجات الحيوية (CABBI) في تحقيق تقدم كبير من شأنه أن يؤدي إلى إنتاج مواد كيميائية زراعية ومنتجات يومية أفضل وأكثر خضرة.

باستخدام عملية تجمع بين الإنزيمات الطبيعية والضوء، طور فريق من جامعة إلينوي في أوربانا شامبين طريقة صديقة للبيئة لخلط الفلور، وهو مادة مضافة مهمة، بدقة في مواد كيميائية تسمى الأوليفينات – وهي هيدروكربونات تستخدم في مجموعة كبيرة من المنتجات، من المنظفات إلى الوقود إلى الأدوية.

تقدم هذه الطريقة الرائدة استراتيجية جديدة فعالة لإنشاء مواد كيميائية عالية القيمة مع تطبيقات محتملة في المواد الكيميائية الزراعية والمستحضرات الصيدلانية والوقود المتجدد والمزيد.

أُجريت الدراسة، التي نُشرت في مجلة ساينس، بقيادة هويمين تشاو، رئيسة موضوع التحويل في معهد كابي، وأستاذة الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية (ChBE)، ورئيسة موضوع تصميم النظم الحيوية في معهد كارل ر. ووسي لعلم الأحياء الجينومي (IGB)، ومديرة معهد مختبر صنع الجزيئات التابع لمؤسسة العلوم الوطنية في إلينوي؛ والمؤلف الرئيسي ماولين لي، باحث ما بعد الدكتوراه في معهد كابي، وChBE، وIGB.

يمكن للفلور، باعتباره مادة مضافة، أن يجعل المواد الكيميائية الزراعية والأدوية تعمل بشكل أفضل وتدوم لفترة أطول. إن حجمه الصغير وخصائصه الإلكترونية وقدرته على الذوبان بسهولة في الدهون والزيوت كلها لها تأثير عميق على وظيفة الجزيئات العضوية، مما يزيد من امتصاصها واستقرارها الأيضي وتفاعلاتها مع البروتينات. ومع ذلك، فإن إضافة الفلور أمر صعب وعادة ما يتطلب عمليات كيميائية معقدة ليست صديقة للبيئة دائمًا.

استخدم العلماء في هذه الدراسة “إنزيمًا ضوئيًا” – وهو إنزيم تم إعادة استخدامه ويعمل تحت الضوء – للمساعدة في إدخال الفلور إلى هذه المواد الكيميائية. وباستخدام الضوء والإنزيمات الضوئية، تمكنوا من ربط الفلور بالأوليفينات بدقة، والتحكم بدقة في مكان وكيفية إضافته. ولأن هذه الطريقة ليست صديقة للبيئة فحسب، بل إنها محددة للغاية، فإنها تسمح بإنشاء مركبات جديدة مفيدة بشكل أكثر كفاءة كان من الصعب تصنيعها من قبل.

سد فجوة كبيرة في الكيمياء الجزيئية

هذا النهج يسد فجوة كبيرة في الكيمياء الجزيئية، حيث كانت الطرق السابقة لإضافة الفلور محدودة وغير فعالة. كما يفتح هذا النهج إمكانيات جديدة لابتكار أدوية ومنتجات زراعية أفضل، حيث أن المركبات المفلورة غالباً ما تكون أكثر فعالية واستقراراً وأطول عمراً من نظيراتها غير المفلورة. وهذا يعني أن الأسمدة ومبيدات الأعشاب قد تكون أكثر فعالية في حماية المحاصيل، وقد تكون الأدوية أكثر قوة أو لها آثار جانبية أقل.

وقال تشاو “يمثل هذا الاختراق تحولاً كبيراً في كيفية تعاملنا مع تخليق المركبات المفلورة، وهو أمر بالغ الأهمية في العديد من التطبيقات من الطب إلى الزراعة”، “من خلال تسخير قوة الإنزيمات المنشطة بالضوء، قمنا بتطوير طريقة تعمل على تحسين كفاءة هذه التركيبات وتتوافق مع الاستدامة البيئية، يمكن أن يمهد هذا العمل الطريق لتقنيات جديدة أكثر خضرة في الإنتاج الكيميائي، وهو فوز ليس فقط للعلم، بل للمجتمع ككل”.

تعزيز إنتاج المواد الكيميائية القائمة على المواد الحيوية

ويساهم هذا البحث في تعزيز مهمة CABBI في مجال الطاقة الحيوية من خلال ابتكار أساليب مبتكرة في التحفيز الحيوي يمكنها تعزيز إنتاج المواد الكيميائية القائمة على المواد الحيوية – تلك المشتقة من الموارد المتجددة مثل النباتات أو الكائنات الحية الدقيقة بدلاً من البترول.

ويتماشى تطوير العمليات الكيميائية الحيوية الأكثر كفاءة وصديقة للبيئة مع تركيز CABBI على إنشاء حلول مستدامة للطاقة الحيوية تعمل على تقليل التأثير البيئي وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.

كما تساهم في تحقيق مهمة وزارة الطاقة الأمريكية الأوسع نطاقًا المتمثلة في دفع عجلة التقدم في مجال الطاقة الحيوية والمنتجات الحيوية.

يمكن أن تؤدي الأساليب التي تم تطويرها في هذه الدراسة إلى عمليات صناعية أكثر استدامة وأقل استهلاكًا للطاقة وتقلل من النفايات الكيميائية والتلوث، مما يدعم أهداف وزارة الطاقة في تعزيز تقنيات الطاقة النظيفة.

يمكن أن تؤدي القدرة على إنشاء مركبات مفلورة عالية القيمة بكفاءة إلى تحسينات في مجالات مختلفة، بما في ذلك مصادر الطاقة المتجددة والمنتجات الحيوية التي تدعم النمو الاقتصادي والاستدامة البيئية.

وقال لي: “إن بحثنا يفتح آفاقاً رائعة لمستقبل تطوير المستحضرات الصيدلانية والكيميائية الزراعية، فمن خلال دمج الفلور في الجزيئات العضوية من خلال عملية ضوئية إنزيمية، فإننا لا نعمل على تعزيز الخصائص المفيدة لهذه المركبات فحسب، بل ونقوم بذلك أيضاً بطريقة أكثر مسؤولية تجاه البيئة، ومن المثير أن نفكر في التطبيقات المحتملة لعملنا في ابتكار منتجات أكثر فعالية واستدامة للاستخدام اليومي”.