מחקר חדש מאת פרופ' אד באייר מציע פתרונות מבטיחים לאנרגיה חלופית

גדילה ופירוק (Decomposition) של תא הצמח  הם שני חלקים משלימים של מעגל סגור העומד בבסיס עולם הצומח. בממלכה זו, תהליך הפירוק כולל יתרונות רבים, שכן במהלכו משתחררת אנרגיה רבה הנדרשת לשלב הגדילה של הצמח. אולם, לפי פרופ' אד באייר, פירוק של תא הצמח טומן בחובו פוטנציאל עצום גם עבור בני אדם.

"החומרים הנמצאים בדופנות תאי הצמח מרכיבים את מקור האנרגיה המתחדשת השכיח ביותר על פני כדור הארץ", אומר פרופ' באייר, מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ויצמן למדע. "האתגר הוא לחלץ את האנרגיה הזו באופן יעיל ולרתום אותה לשימוש אנושי".

אבן הבניין החשובה ביותר ברקמות הצמח קרויה צלולוז (תאית), פולימר מבוסס סוכר התופס כ-40 אחוזים מתכולת דופן התא. מולקולה זו הייתה ועודנה משאת נפשם של מדענים רבים, המחפשים דרך לשחרר את הסוכרים הכבולים בה ולהפכם לביו-דיזל – המקבילה החקלאית של טוויית חוטי זהב מקש. הבעיה: צלולוז הוא פולימר קשה מאוד לפירוק.

"אם נדמיין את דפנות התא כבטון יצוק, צלולוז הוא מוטות הפלדה המחזיקים את המבנה במקום", טוען פרופ' באייר. הוא מוסיף כי היות שהצלולוז הוא חומר עמיד באופן טבעי, שיטות הפירוק של החומר הנהוגות בתעשייה דורשות אנרגיה רבה שהינה מזהמת ובלתי משתלמת. "למזלנו, אמא אדמה נתנה לנו חיידק בשם קלוסטרידיום תרמוסלום (Clostridium thermocellum) – המסוגל לפרק את הצלולוז באופן יעיל. בשנות ה-80, כאשר עדיין עבדתי על הפוסט-דוקטורט שלי, החלטתי לבחון כיצד פעולת פירוק הצלולוז על ידי החיידק עובדת ברמה המולקולרית".

עבודת מחקר זו – שבוצעה בשיתוף פעולה עם רפאל למד, לימים פרופסור באוניברסיטת תל אביב – הניבה את גילויו של הצלולוזום, מנגנון אנזימטי רב-שכבתי הממוקם על שטח הפנים של ההחיידק האמור ואמון על פירוק הצלולוז. עד אמצע שנות ה-90 חשפו החוקרים את מה שפרופ' באייר מכנה "הטבע במלוא הדרו": הצלולוזום, בעל מבנה דמוי-לגו, מתחבר לנקודות ספציפיות על פני השטח של הצמח, ומכיל שללאנזימים מפרקים הפועלים באופן סינרגיסטי לפירוק יעיל של דופן תא הצמח. אולם, על אף שמחקרים מוקדמים אלו אפשרו לבנות תמונה מדויקת למדי של המנגנון שבאמצעותו החיידק מתווך את "שחרור" הסוכרים הכלואים בצלולוז, פרופ' באייר טוען כי אפיון התהליך הקיים פשוט אינו מספיק על-מנת לייצר דלקים ביולוגיים טובים יותר.

מטרת המחקר של פרופ' באייר היא להפוך את התהליך הטבעי של פירוק הצלולוז למנגנון אשר מסוגל לייצר כמות מספקת של "חומר גלם" לטובת ביו-דלק. "התהליך שגילינו משחרר סוכרים, אבל לא מספיק כדי להשפיע משמעותית על אספקת אנרגיה לייצר ביו-דלק", הוא אומר. "מטרתנו הסופית היא ליצור צלולוזום מהונדס המסוגל לשחרר כמויות מסחריות של סוכרים לייצור ביו-דלק, כחלק מתהליך יעיל וחסכוני שאינו מזהם את הסביבה".

צועדים בצעדי ענק לכיוון ביו-דלק

במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences, פרופ' באייר וצוותו דיווחו על התקדמות משמעותית בדרך ליעד זה. הם הצליחו להנדס צלולוזום "מותאם אישית" הכולל אנזים שמסוגל לפרק ליגנין (Lignin) – חומר הנמצא בדופן של תא הצמח ומסייע לחומרים אורגניים שונים להילחם בתהליכי פירוק וריקבון.

"לקחנו אנזים המסוגל לפרק ליגנין – אותו בידדנו מסוג אחר של חיידק– והחדרנו אותו לתוך המערכת הניסיונית שלנו", מספר פרופ' באייר. "לא רק שבכך הרכבנו את הצלולוזום הראשון אי-פעם המסוגל לפרק ליגנין, אלא שהוספת האנזים הזר הובילה לתוצאה בלתי צפויה: היא ייעלה את תהליך פירוק הסוכרים של דופן תא הצמח באופן משמעותי. למעשה, הצלחנו להנדס מכונה מולקולרית חזקה במיוחד, אשר מסוגלת לשחרר כמויות גדולות מהרגיל של סוכרים שימושיים מחומר הגלם. זהו צעד משמעותי בכיוון הנכון שכן, בסופו של יום, ניתן יהיה לפרוץ את צוואר הבקבוק המונע מאתנו לייצר אנרגיה חסכונית המבוססת על ביו-דלק".

פרופ' באייר מתכנן להמשיך ולחקור אנזימים ואורגניזמים חדשים, במטרה להגיע לתוצאות יעילות יותר בפירוק סוכרים. אך בעוד הוא מקווה שביו-דלקים יהפכו לרכיב משמעותי יותר בשוק האנרגיה העולמי, הוא מודה כי הדרך עוד ארוכה.

"פיתוחים במדע הביו-דלק עדיין לא מהווים איום על תעשיית הנפט והשדולה הנלווית לה", הוא אומר. "אבל מכיוון שמאגרי הנפט והגז בעולם יאזלו יום אחד, עלינו לחשוב על העתיד".

Prof. Ed Bayer is supported by the Dana and Yossie Hollander Center for Structural Proteomics; the Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust; and the Jewish Community Endowment Fund. Prof. Bayer is the incumbent of the Maynard I.and Elaine Wishner Professorial Chair of Bio-Organic Chemistry.

 

 

Prof. Ed Bayer