البلاستيك الحيوى من البكتريا Bio-plastic from bacteria - ساينسوفيليا
البلاستيك الحيوى من البكتريا Bio-plastic from bacteria
Teaching and Research Assistant at Minia University EGYPT
يدخل البلاستيك فى شتى مجالات الحياه ، كما أن له طواعية ومرونة عالية بعكس الخشب مثلاً, كما انه خفيف الوزن بعكس المعدن ويدخل ايضاً البلاستيك فى مجال الإكترونيات والفضاء حيث تُصنع منه بعض أجزاء الحاسب الآلى وبعض الأجهزة الطبية. وليست كل استعمالات البلاستيك على نفس الدرجة من الأهمية فهناك استعمالات بسيطه متكررة فى حياتنا اليومية (وهى التى يُوجه لها أغلب الاستعمال الصناعى من البلاستيك) مثل الأكياس البلاستيكية وأغلفة المأكولات السريعة وأكواب الشاى البلاستيكية الخ .....هذه الاستخدامات الأخيرة عادة يقوم بها السكان البسطاء الذين ليس لديهم وعى بخطورة البلاستيك على البيئة والصحة مما يشكل خطر حقيقي يهدد بقاء الإنسان. فنجد أنه على الصعيد الصحى ينتشر السلطان بنسبة عالية وعلى الصعيد البيئى نُشاهد من حولنا مخلفات وقمامة تحتوى على كمية كبيرة من الباستيك والعديد من الحيوانات البحرية التى تنفق نتيجة تناولها المخلفات البلاستيكية بالخطأ.
بازدياد أعداد البشر يزداد استهلاكهم من البلاستيك وتتركم المُخلفات فى البيئة لأن البلاستيك لا يتحلل فى التربة أوالمياه ويظل سنين طوية على حالته. بالرغم من الجهود المُتزايدة المبذولة من قبل الحكومات لإعادة تدوير البلاستيك (أو التخلص منه بشكل آمن) مُتمثلة فى مكبات النفايات والمدافن والمحارق إلا أن البلاستيك لايزال يتراكم وما يتم تدويره لا يتجاوز 2% من إجمالي الإنتاج .كما أن حرق البلاستيك ينتج عنه مواد شديدة الخطورة وضارة جداً بالصحة مثل مركبات الفينول وأكسيد الإيثلين. ثم إن البلاستيك ينتج اساساً من البترول وقد شارف عصر البترول علي الانتهاء فهل سيذهب البترول ويذهب معه البلاستيك وكل استخداماته التى لا غنى لنا عنها؟ هل يمكن أن يكون هناك بديل للبلاستيك له نفس المزايا العديدة ولكن آمن بيئياً؟ هل يمكننا الحصول على البلاستيك بشكل مُستدام وغير ضار بالبيئة أو الصحة ؟
Bio-plastic from bacteria(PHB granules)
توجد حبيبات داخل الخلايا البكتيرية التى تنمو فى ظروف مُتطرفة حيث يقل مصدر النيتروجين فى البيئة وتزداد الملوحة مع وجود وفرة من مصدر الكربون فيزداد تكون هذه الحبيبات في البكتريا. تبين أن هذه الحبيبات لها وظيفة تغذوية حيث تكونها الخلية لكى تدخر فيها الكربون الازم لنموها لتستخدمه عند الحاجة وبهذا تلعب هذه الحبيبات دورا هام لنجاح البكتريا فى التغلب على التذبذب الحادث فى المُغذيات فى البيئات الطبيعية للبكتريا ( التربة والمياه). تم عزل واستخلاص هذه الحبيبات من البكتريا وتبين أنها تتكون من مواد لها خصائص تشبه البلاستيك تماماً حيث تصلح هذه الحبيبات لكى تستخدم فى كافة المجالات التى يستخدم بها البلاستيك إلا أنها تمتاز عنه فى أنها من مصدر متجدد يمكن الحصول عليها باستمرار وقابلة للتحلل فى البيئة مما يوفر علينا مشاكل وأخطار البلاستيك المنتج من البترول. بالنسبة لاستخلاص البلاستيك الحيوى من خلايا البكتريا فهو أمر سهل للغاية حيث يتم عن طريق بروتكولات يستخدم فيها الفينول أوهيبوكلوريت الصوديوم حيث تذوب بها الـPHA بعد ذلك يتم عمل طرد مركزى والحصول على الراشح الذى تتم عليه سلسة من عمليات التبخير والتقطير والتنقية فى النهاية نحصل على البلاستيك فى صورة بودرة سهلة الاستخدام فى عمليات صناعة وتشكيل البلاستيك للأغراض المختلفة.
Molecular Biology of PHA Synthesis
توجد ثمانية مسارات تمثيلية فى الكائنات المُختلفة يتم من خلالها تكوين الـPHA تدخل فيها العديد من الانزيمات وكل انزيم بالطبع هو ناتج عن تعبير جين وبإلقاء نظرة سريعة على المخطط - أنظر المرجع صفحة 21 - الذى يوضح هذه المسارات نلاحظ تشعبها وارتباطها وتداخلها بشكل كبير.
إنّ ما يُهمنا من الناحية التطبيقية هو كيف تتكون الـPHA من السكريات ومن الدهون حيث انها مواد توجد بوفرة كنواتج جانبية للعديد من عمليات التصنيع الغذائى مثلاً فى صناعة الشيبسي يكون هناك الزيت الهالك الذى سبق استعماله فى القلى وعند تصنيع الجبن يوجد فائض من الشرش يحتوى على نسبة لا بئس بها من الاكتوز، كذلك عند تصنيع العسل الأسود يتبقى المولاس وهو من المواد السكرية، كما يتبقى الجلوتين من مُخلفات تصنيع الذرة والكثير والكثير من المتبقيات والنواتج الجانبية التى يمكن استغلالها بفاعلية (مع السلالة المناسبة من البكتريا ) للحصول على البلاستيك الحيوى القابل للتحلل فى البيئة ومن مصدر متجدد أيضاً. والجدول - أنظر المرجع صفحة 22 - يُبين المسارات المُختلفة التى تدخل فى تخليق الـ PHA والجينات المسؤولة عنها والانزيمات التى تشفر لها هذه الجينات والسلالات التى يتواجد بها المسار الحيوى والمراجع التى يُمكن العودة لها للمزيد من المعلومات. وبإلقاء نظرة على الجدول يتبين أن السلالة الواحدة قد تمتلك مساراً واحداً فقط أو أكثر وأن المسارات الثمانية لاتوجد كلها فى كائن واحد وأن هناك مسارات توجد في السلالات المطفرة والسلالات معادة الاتحاد. والمسار الحيوى الأول الخاص بالسكريات يتكون من شقين الأول منهما مسؤول عن بناء البلاستيك ويحتوى على ثلاث جينات كل منها يشفر لإنزيم يدخل فى التخليق الحيوى للـ PHA وتنتظم هذه الجينات معا فى operon واحد كما يظهر فى الشكل. والشق الثانى للهدم وهو يحتوى على أربعة جينات تشفر للإنزيمات التى تدخل فى التحلل الحيوى للـ PHA يلاحظ أن إنزيمات الهدم يُمكنها العمل داخل الخلية أو خارجها مما يمكن الميكروبات التى بها هذه الجينات من استخدام حبيات الـ PHA التى توجد داخل خلاياها أوخارجها فى البيئة المحيطة بها. هذا وتستخدم سلالات البكتريا المعروفة من الناحية الوراثية بشكل افضل واستعمالها دارج أكثر فى مجال بيولوجيا الأنظمة حيث يمكن نقل operon البناء إليها للحصول على النتائج المرجوة من مستويات الإنتاج وقد تم ذلك على E.coli فأدخل إليها جينات البناء - ولم يتم إدخال جينات الهدم - مما ساعد على زيادة محصول البلاستيك كما أنه يمكن بكل سهولة تعطيل جينات أخرى مسؤولة عن مسارات التمثيل الغذائى فى E.coli فنمنع الخلية من القيام بالتخمرات مثلاً ونوجه كل الناتج من Acetyl-CoA إلى عملية بناء البلاستيك. وقد تم نقل الـ operon أيضاً إلى نبات Nicotiana tabacum ونبات Arabidopsis thaliana (هى أيضاً نباتات مدروسة وراثياً بشكل جيد ) و كانت نتائج هذا متواضعة نوعاً ما في إنتاج البلاستيك الحيوى حيث لم تتجاوز نسبة البلاستيك بالنسبة للوزن الجاف للنباتات 2%.
بينما على صعيد حيوية النبات نفسه فقد تعرضت النباتات المُعدلة لحالات تفاوتت بين القزامة وضعف النمو إلى العقم الذكرى والكثير من مظاهر التدهور ويعزى ذلك إلى أن Acetyl-CoA يدخل فى إنتاج الطاقة داخل الخلية وعندما تم توجيهه إلى إنتاج البلاستيك تسبب ذلك فى نقص حاد فى مُستوياته تبعها نقص فى الطاقة المنتجة داخل الخلية مما أدى إلى تدهور صفات وحالة النباتات. بينما فى السلالات المُعدلة من E.coli و Pseudomonas كان إنتاج البلاستيك حوالى 80% من الوزن الجاف للخلايا وبكفائة عالية جداُ فى إستغلال مادة التخمر(مادة التخمر فى الأصل مُهدرة وتكلف العملية التصنيعية الأموال للتخلص منها). كما أن زراعة النباتات لإنتاج البلاستيك الحيوى بالتاكيد ستُنافس بشكل كبير زراعة المحاصيل من أجل الغذاء أو كأعلاف مما يعى أن الأفضلية الإقتصادية تذهب ناحية استعمال الميكروبات فى إنتاج البلاستيك.
Regulation of PHA Synthesis
الميكانيات التى يتم بها تنظيم إنتاج الـ PHA فى الخلايا ليست مفهومة بشكل جيد حتى الآن و لكن يمكن القول انها تخضع للتنظيم كالتالى....التنظيم بالتحكم فى مستويات النسخ وهذا النوع من التنظيم يرتبط بـ RNA polymerase sigma factor وهو بروتين ينظم عملية النسخ بشكل عام فى الخلايا البكتيرية حيث يتأثر بشدة بالبيئة من توافر المُغذيات والإجهاد الحرارى والتعرض للأشعة الفوق بنفسجية أى أن ظروف التخمر ( إرتفاع الملوحة ونقص مصدر النيتروجين ) لها علاقة قوية جداً بإنتاج البلاستيك الحيوى ومستويات Acetyl-CoA داخل الخلية تعمل كنوع آخر من التنظيم حيث يعمل Acetyl-CoA كمحفز كيميائى يتحكم فى فتح وغلق الـ operon الذى يُنظم جينات البناء الثلاثة حيث أن البروتين الكابت Represor proten ( الذى يُنتج من الجين الكابت Represor gene) له شكل فراغى مُعين يسمح له بالإرتباط بـ الـ DNA فى موقع التحكم في الـ operator مما يمنع الـ RNA polymerase من القيام بنسخ الجينات المسؤولة عن التشفير للإنزيمات التى تدخل فى انتاج البلاستيك الحيوى. و لكن فى حالة إرتباط جزىءAcetyl-CoA بالبروتين الكابت فإن البروتين الكابت يتغير شكله مما يعوق إرتباطه بالـ operator وذلك يسمح لإنزيم RNA polymerase بنسخ الجينات وتتم الترجمة وتنتج الإنزيمات التى تدخل فى عملية تخليق البلاستيك الحيوى.
Applications of polyhydroxyalkanoates (PHA) in various fields
1. تغذية حيوانات التجارب (حيث أنه يتكون أساسا من الكربون ) فهو معروف التركيب الدقيق على عكس الأعلاف أو الحبوب التى تحتوى على عدد ضخم للغاية من المركبات وتغذية الإنسان حيث تم تحضير مستحضرات تجارية منه لتغذية رياضيين كمال الأجسام والعدائين لمسافات طويلة حيث يعمل كمصدر بطىء للتزود بالطاقة ( تم عزل الـ PHA من بلازما دم الإنسان وتبين بعدها أن الانسان يملك العديد من الجينات التى تدخل فى مسارات بناء وهدم البلاستيك الحيوى ).
2. تصنيع الأدوية حيث يمكن استبدال مجموعات الميثيل بأى مادة صيدلانية فعالة مما يمكن الدواء من الإنحلال ببطء وتوفير مستوى مُنتظم من المادة الفعالة فى الجسم أيضاً قد يُستخدم البلاستيك نفسه كدواء أو يدخل فى تصميم أدوية تستهدف خلايا مُحددة دون غيرها نظراً لأنه يُمكن تشكيله وتعديله مما يسمح للجهاز المناعى بالتعرف عليه أوتصميم شكله الفراغى بحيث يتلائم مع المستقبلات على سطح الخلية المستهدفة.
3. صناعة الوقود حيث يمكن استتبدال مجموعة الميثل بسلسلة كربونية أطول مما يعطى رقم أوكتين عالى كما أن البلاستيك يحتوى على مجموعات الهيدروكسيل التى توفرالأكسجين مما يساعد على الإحتراق بكفائة.
4. فى المجال الطبى حيث تُصنع منه خيوط جراحية تستعمل فى تضميض وخياطه الجروح العميقة حيث يتحلل الخيط بعد فترة ويمتصه الجسم دون أن يسبب أى مشاكل فى شفاء الجروح أو الألتهاب.
5. فى مجال التخمرات الصناعية حيث أنه يمتلك شحنات على سطحه الخارجى مما يسمح باستخدامه فى تنقية البروتينات من بيئات التخمر.
6. فى مجال الإلكترونيات حيث أنه مادة Piezoelectric أى له إنضغاطية كهربائية مما يسمح باستعماله كمنظم لفروق الجهد فى الاإلكترونيات الدقيقة.
7. يدخل فى تصنيع أدوات تناول وتغليف الطعام (الأطباق والمعالق والشوكات والأكواب .....إلخ).
المراجع
Plastics from Bacteria Natural Functions and Applica-tions
e-ISSN 1862-5584 ISSN 1862-5576
e-ISBN 978-3-642-03287-5 ISBN 978-3-642-03286-8
DOI 10.1007/978-3-642-03287-5
التعليقات على الموضوع