يمكنك استدعاء هذه المجموعة من أعضاء المختبر بدورية أنبوب. في بعض الأحيان ، يتسكعون في حديقة حيوان سانتا باربرا في انتظار بعض الماعز والأغنام للقيام بأعمالهم. لكنهم ليسوا هناك فقط كطاقم تنظيف. بالنسبة لهم ، هذه الفضلات هي أكثر من مجرد نفايات. إنها مصدر الميكروبات التي قد تصبح يومًا ما الطريق إلى وقود ومواد كيميائية أكثر اخضرارًا.
ميشيل أومالي ، 37 عاما ، تقود هذه المجموعة. إنها مهندسة كيميائية وبيولوجية في حرم جامعة كاليفورنيا عبر المدينة. يبحث فريقها عن الفطريات التي تعيش في الجهاز الهضمي للحيوانات الآكلة للنباتات ، مثل الأغنام والماعز والأبقار والزرافات والفيلة. باعتبارها اللاهوائية (AN-uh-roabs) ، يمكن لهذه الفطريات أن تعيش فقط في غياب الأكسجين. يمكن لهذه الفطريات ، جنبًا إلى جنب مع بعض البكتيريا اللاهوائية ، تكسير العشب والنباتات الأخرى. على طول الطريق ، فإنها تطلق السكريات والمواد المغذية الأخرى.
لا يظهر هؤلاء المساعدون الميكروبيون عادة في أمعاء الإنسان. هذا هو السبب وراء عدم هضم الكثير من الأجزاء الليفية من النباتات التي نتناولها. إنه يمر عبر أحشائنا ، إلى حد كبير دون تغيير ، ويخرج كنفايات من الطرف الآخر.
هنا في حديقة الحيوانات ، يركز الباحثون على ماعز جزيرة سان كليمنتي وأغنام نافاجو-تشورو. "قد يكون من الصعب معرفة الفرق بين براز الماعز والأغنام ،" يلاحظ أومالي. لذا من المفيد "مشاهدة التبرع أثناء حدوثه".
بمجرد جمع حبيباتهم ، تذهب إلى المختبر. هناك ، يقنع أعضاء الفريق الفطريات التي تمكن هذه الحيوانات من هضم نباتات معينة.
كان على أومالي أن تتعلم ما تسميه "تكنولوجيا المدرسة القديمة جدًا" لتنمية الفطريات الصعبة في معملها. ثم تحولت إلى تعقب الإنزيمات المميزة التي تسبب تدهور النبات والتي تصنعها هذه الفطريات. تتمثل خطتها الكبيرة في مساعدة المجتمع على الابتعاد عن الوقود الأحفوري ، مثل البترول. بدلاً من ذلك ، تأمل في إيجاد طرق أكثر استدامة لصنع المواد الكيميائية والوقود. يمكن أن تكون موادها الأولية عبارة عن بقايا طعام زراعي - مثل مخلفات الذرة وقش القمح ، على سبيل المثال. في الماضي ، غالبًا ما كان يُنظر إلى بقايا المواد النباتية على أنها نفايات لأن الناس لا يستطيعون أكلها.
تشير الفطريات إلى إنزيمات مفيدة
الأجزاء الليفية من النباتات مصنوعة من lignocellulose (Lig-no-SEL-yu-loas). هذه المادة الكيميائية ، بدورها ، مصنوعة من مركبات أصغر. من بينها نوعان من السكريات:السليلوز وهيميسليلوز. وتلك السكريات غنية بالكربون. يعتبر الكربون أيضًا مكونًا رئيسيًا في معظم أنواع الوقود والعديد من المواد الكيميائية والعقاقير الأخرى.
يود فريق O’Malley استخراج مادة lignocellulose لكربونها. تكمن المشكلة في أن الأجزاء الليفية من النباتات تحتوي أيضًا على مادة اللجنين. يوضح أومالي أنه مادة هيكلية تعمل على "إبعاد الميكروبات وإنزيماتها" عن جدران الخلايا النباتية. لذلك يجعل اللجنين من الصعب الحصول على السكريات الموجودة في lignocellulose.
وجد الكيميائيون الصناعيون طرقًا لإزالة اللجنين كيميائيًا أو فيزيائيًا. لكن هذه العمليات غالبًا ما تكون مكلفة وسامة ومهدرة (حيث يحتوي اللجنين نفسه على مواد كيميائية قيّمة).
بعض الفطريات لديها نهج أفضل. وهذا ما لفت انتباه أومالي إلى الحيوانات الآكلة للنباتات وأنبوبها. يقول أومالي ، لقد اتضح أن بعض الفطريات اللاهوائية الموجودة في أحشاء هذه الحيوانات يمكن أن تعطي الصناعة طريقة أكثر اخضرارًا لتفكيك السليلوز ، والهيميسليلوز - وحتى اللجنين.
بعد تناول وجبة غداء عشبية من الماعز ، تحفر بعض الفطريات اللاهوائية في جدران الخلايا النباتية. هناك يطلقون الإنزيمات التي تكسر اللجنين - اللجنين وكل شيء. هذه الفطريات الصعبة لها اسم مكون من 10 مقاطع:Neocallimastigomycota.
درس أومالي تحت إشراف المهندسة الكيميائية آن روبنسون. كان ذلك عندما كانت في الدراسات العليا في جامعة كارنيجي ميلون في بيتسبرغ ، بنسلفانيا. لم تتفاجأ روبنسون بأن طالبها السابق يعمل مع مثل هذا الميكروب الصعب. تتذكر أن تلميذتها كانت "غير خائفة جدًا من معالجة المشكلات" و "قادرة على التعرف على النتيجة الممتعة أو غير العادية".
فطر واحد:العديد والعديد من الإنزيمات الهاضمة
بعد تخرجه من المدرسة ، اتصل أومالي بالعلماء الذين عملوا مع الفطريات اللاهوائية. لقد تخلى معظمهم عن تلك الدراسات. ثبت للتو أن الميكروبات يصعب التعامل معها. ثم دعاها مايكل ثيودورو للعمل معه. كان رائدا في البحث عن مثل هذه الميكروبات. يعمل اليوم في جامعة هاربر آدامز في نيوبورت بإنجلترا. في ذلك الوقت ، كان ثيودورو في ويلز. وهناك علم أومالي كيفية عزل هذه الفطريات وتنميتها.
كان التحدي الذي واجهوه هو إطعام الفطريات بما تحتاجه لتنمو ، مع إبقاء الأكسجين بعيدًا.
يبدأ فريقها الآن بأنابيب اللف. فكر فيهم كأطباق بتري ثلاثية الأبعاد يمكنها دعم النمو عبر جدرانها الداخلية ، كل ذلك في بيئة خالية من الأكسجين. يضاف ثاني أكسيد الكربون ومصدر غذائي مع سوائل هضمية إلى الأنابيب المغلقة. بعد ذلك ، يقوم فريقها بلف الأنابيب للحصول على طبقة متساوية على الجدران الداخلية. بعد إضافة الملاط الغني بالفطريات ، يقومون بلف الأنابيب مرة أخرى. إذا نجحت العملية ، تنمو المستعمرات الفطرية.
يقول أومالي:"كل هذا يتطلب الكثير من الحركات الدقيقة والمنسقة والسريعة". إنه "فن ضائع."
في مختبرها بجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا ، تقوم أومالي بعزل الفطريات من عينات حديقة الحيوان ودراسة إنزيماتها. حتى الآن ، "لا أحد يعرف حقًا قوتهم الحقيقية" ، كما تقول. تبين أن تلك الفطريات (التي تحمل اسمًا مليئًا) تمتلك جينات لإعلان أكبر عدد معروف من الإنزيمات المهينة للكتلة الحيوية. هذا شيء أبلغ عنه فريقها في العلوم قبل ثلاث سنوات.
يقول العلماء:الخميرة
لقد دخل الباحثون الآن في شراكة بين هذه الفطريات اللاهوائية وخميرة مصانع الجعة ( Saccharomyces cerevisiae ). هذه الخميرة هي الدعامة الأساسية لصناعة الكيمياء الحيوية.
أظهرت مجموعة O’Malley أن الفطريات تكسر بكفاءة lignocellulose في القصب عشب الكناري. أدى ذلك إلى تحرير السكريات ليتم تحويلها إلى منتجات أخرى بواسطة الخميرة. شارك O’Malley وزملاؤه النتائج التي توصلوا إليها ، العام الماضي ، في التكنولوجيا الحيوية والهندسة الحيوية .
بهدف إطلاق العنان لهذه القوى لصناعة التكنولوجيا الحيوية ، تستكشف أومالي ومجموعتها ما إذا كان من المنطقي حصاد الإنزيمات من الفطريات. ربما يجب عليهم فقط إدخال الحمض النووي الفطري في الخميرة والبكتيريا. هذا يمكن أن يحولهم إلى آلات لصنع الإنزيم.
يقول Michael Betenbaugh إن اكتشاف الطريقة المثالية لتحطيم مادة lignocellulose "كانت مشكلة [غير قابلة للحل] حقًا لفترة طويلة". يعمل مهندس الكيمياء الحيوية في جامعة جونز هوبكنز في بالتيمور ، ماريلاند أومالي "نوعًا ما تم تشكيله بمفردها" ، كما يقول. ويضيف أن خدعتها كانت "البحث عن هذه الميكروبات غير العادية التي كانت تفعل [ذلك] منذ آلاف السنين".
