محاولة لزيادة فعالية التركيب الضوئي لتحسين واقع الغذاء والطاقة

تختزن النباتات الطاقة الشمسية من خلال عملية التركيب الضوئي و التي تطورت على كوكب الأرض على مدى ملايين السنين. و اليوم كيف يمكننا العبث بالحمض النووي لتحسين ما طورته الطبيعة؟ يتم إجراء عدة أبحاث في محاولة للبحث عن طرق جديدة لتحسين كفاءة التمثيل الضوئي، ويمكن أن يكون للهدف النهائي تأثيرا كبيرا في تطوير أساليب زيادة الغلة من المحاصيل الهامة التي يتم حصادها للأغذية والوقود الحيوي المستدام، كما يمكن استخدام نتائج هذه الأبحاث لدعم جهود إعادة التحريج والجهود المبذولة لزيادة إنتاجية الأشجار لصنع الخشب والورق وآلاف المنتجات الأخرى المشتقة من الأخشاب والمواد الكيميائية المستخرجة من الأشجار. سبب آخر لكون التمثيل الضوئي موضوع هام للبحث أن هذه العملية هي التي جعلت الأرض مضيافة للحياة من خلال توليد المواد الغذائية والأكسجين.

لماذا وكيف يمكن زيادة كفاءة التمثيل الضوئي؟

يستخدم الكائن الذي يقوم بعملية التركيب الضوئي أشعة الشمس وثاني أكسيد الكربون لإنتاج السكريات الذي تغذيه ويترافق ذلك بإطلاق الأكسجين. لكن هذه العملية غير فعالة نسبياً، حيث يلتقط هذا الكائن حوالي 5٪ فقط من الطاقة المتاحة، وهذا يتوقف على كيفية قياس الكفاءة. مع ذلك، طورت بعض أنواع النباتات كالطحالب والبكتيريا آليات تعزز الكفاءة التي تقلل الفاقد من الطاقة أو تعزز توصيل ثاني أكسيد الكربون إلى الخلايا خلال عملية التمثيل الضوئي، وقد سعى العلماء منذ فترة طويلة لمعرفة طرق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي ولكن من دون احراز تقدم ذو شان حتى الآن.، و حالياً قد تتمكن أساليب التحول المحتملة التي تجري متابعتها من قبل الباحثين من اجتياز العوائق التي تقف في طريق الابحاث العلمية للتمثيل الضوئي منذ فترة طويلة، في حال نجاحها قهذا سوف يساعد في مواجهة التحديات الغذاء والوقود التي نشأت حالياً بسبب زيادة التعداد السكاني وبسبب عوامل أخرى.

التقنيات التي يتم دراستها:

1) بعض الجراثيم وحيدة الخلية تلتقط الطاقة الشمسية وتحولها إلى وقود يستخدم في التضاعف الذاتي . يهدف التلاعب بالتركيب الضوئي الى توزيع التقاط الطاقة وتحويلها عبر وسطين اثنين ، بحيث يتمكن كل وسط من القيام بدوره بكفاءة لأقصى حد ممكن.

هدف هذه التقانة بشكل عام هو التقاط الطاقة غير المستخدمة، التي ستبدد ، ونقلها من خلية تلتقط الضوء لأجل التمثيل الضوئي إلى خلية ثانية تنتج الوقود. وسيتم استخدام الهندسة البيولوجية على هذه الأسلاك لتشكيل جسر كهربائي بين الخلايا الملتقطة للضوء والخلايا المنتجة للوقود بحيث انها ستوصل الطاقة من الخلية الأولى إلى الثانية ، و يتم العمل أيضاً على تطوير مقاربة أخرى لنقل الطاقة بين الخلايا من خلال خلق مسارات كيميائية جديدة التي من شأنها تحويل الطاقة من الخلية للبكتيريا الملتقطة للضوء إلى الخلية التي تنتج الوقود الحيوي .

2) تقنية (MAGIC) وهي مقاربة متعددة المستوى لتوليد ثاني أكسيد الكربون ، تستخدم من اجل هندسة مضخة ثاني أكسيد الكربون المدفوعة بالضوء التي من شأنها زيادة توافر غاز ثاني أكسيد الكربون للإنزيم الذي يعزز عملية التمثيل الضوئي وبالتالي زيادة كفاءته .

لتعزيز هذا المجهود من خلال الهندسة الوراثية، اعاد العلماء تصميم بروتين ،يدعى هالورودوبسين halorhodopsin، وهو بروتين حساس للضوء ، وجد في جرثومة وحيدة الخلية تسمى pharaonis Natronomonas؛ هذا البروتين يساعد الميكروب في الحفاظ على التوازن الكيميائي الصحيح من خلال ضخ الكلوريد اليه ، يمكن استخدام هذا البروتين المصنع كبديل عن المضخات التي تضخ ثاني أكسيد الكربون الى الخلايا .

3) تقنية (CAPP ) تهدف إلى جمع الطحالب مع النباتات العليا التي تقوم بالتمثيل الضوئي، حيث استخدم طحلب كلاميدوموناس، من الطحالب وحيدة الخلية، و الذي يمتلك بنية تسمى بيرينويد له شكل كرة تساعد الطحلب على استيعاب تمثيل الكربون في الطحالب لتحسين كفاءة التمثيل الضوئي لها. تهدف تقنية CAPP الى زرع بيرينويد الطحالب والمكونات المرتبطة به المساعدة في النباتات العليا مع آمال تحسين كفاءة التمثيل الضوئي هذه النباتات وبالتالي تحسين إنتاجيتها.

احرز الفريق تقدما في تطوير جهازحساس يعتمد على البروتين سيتم استخدامه لمقارنة مستويات البيكربونات في عدة اجزاء خلوية مستقلة في الطحالب. سيتم استخدام هذا الجهاز للمساعدة في شرح آلية تركيز او تجميع الكربون في الطحالب وتساعد على تقييم فعالية البيرينويد بعد ان يتم زرعه في النباتات العليا.

مصادر:

هنا

هنا