«مواد حية» مستوحاة من شاي «الكمبوتشا»

يمكن استخدامها لتنقية المياه

طور مهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بأميركا، وإمبريال كوليدج لندن، طريقة جديدة لتوليد مواد صلبة وعملية باستخدام مزيج من البكتيريا والخميرة على غرار شاي «الكمبوتشا». وتم الإعلان عن نتائج أعمالهم في دراسة نشرت بدورية «نيتشر ماتريال» في 12 يناير (كانون الثاني) 2021. والكمبوتشا، هو مشروب حلو حامض مخمر، أسود اللون، مصنوع من الشاي، مضاف إليه مزيج من البكتريا والخميرة، وباستخدام هذا المزيج، المعروف أيضاً باسم سكوبي (مزرعة تكافلية للبكتيريا والخميرة)، تمكّن الباحثون من إنتاج السليلوز المضمن بالإنزيمات التي يمكنها أداء مجموعة متنوعة من الوظائف، مثل استشعار الملوثات البيئية، كما أظهروا أنه يمكنهم دمج الخميرة مباشرة في المادة؛ مما يخلق «مواد حية» يمكن استخدامها لتنقية المياه أو لصنع مواد تغليف «ذكية» يمكنها اكتشاف التلف.
يقول تيموثي لو، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية وعلوم الكومبيوتر والهندسة البيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تقرير نشره الموقع الإلكتروني للمعهد بالتزامن مع نشر الدراسة «نتوقع مستقبلاً إمكانية زراعة مواد متنوعة في المنزل أو في مرافق الإنتاج المحلية، باستخدام علم الأحياء بدلاً من التصنيع المركزي كثيف الموارد». ومنذ سنوات عدة، طور مختبر لو طريقة لاستخدام بكتريا الإشريكية القولونية لتوليد أغشية حيوية مدمجة بمواد مثل الأسلاك النانوية الذهبية، ومع ذلك، فإن هذه المواد صغيرة جداً ورقيقة جداً؛ مما يجعل من الصعب استخدامها في معظم التطبيقات واسعة النطاق، وفي الدراسة الجديدة، شرع الباحثون في إيجاد طريقة لاستخدام الميكروبات لإنتاج كميات أكبر من مواد أكثر جوهرية.
وفكر الباحثون في تكوين مجموعة ميكروبات مماثلة للمستخدمة في شاي كومبوتشا، وهي مزيج من أنواع معينة من البكتيريا والخميرة، ومصانع التخمير هذه تحتوي عادة على نوع واحد من البكتيريا ونوع واحد أو أكثر من أنواع الخميرة، تنتج الإيثانول، السليلوز، وحمض الخليك؛ مما يعطي شاي الكمبوتشا نكهته المميزة. ويصعب تعديل معظم سلالات الخميرة البرية المستخدمة في التخمير وراثياً؛ لذلك استبدلها الباحثون بسلالة من الخميرة المختبرية تسمى السكيراء الجعوية (Saccharomyces cerevisiae)، وقاموا بدمج الخميرة مع نوع من البكتريا يسمى كوماجاتيباكتير ريتيكوس (Komagataeibacter rhaeticus)، والتي كان معاونيهم في إمبريال كوليدج لندن عزلوها سابقاً من شاي كومبوتشا، ويمكنها أن تنتج كميات كبيرة من السليلوز.
ولأن الباحثين استخدموا سلالة خميرة مختبرية، يمكنهم هندسة الخلايا للقيام بأي من الأشياء التي يمكن أن تفعلها خميرة المختبر، فعلى سبيل المثال، يمكن إنتاج الإنزيمات التي تتوهج في الظلام، أو استشعار الملوثات في البيئة، ويمكن أيضاً برمجة الخميرة بحيث تتمكن من تكسير الملوثات بعد اكتشافها.
وفي الوقت نفسه، تنتج البكتيريا الموجودة في المزرعة كميات كبيرة من السليلوز الصلب لتكون بمثابة سقالة، وصمم الباحثون نظامهم بحيث يمكنهم التحكم فيما إذا كانت الخميرة نفسها، أو مجرد الإنزيمات التي ينتجونها، مدمجة في بنية السليلوز، ويستغرق نمو المادة بضعة أيام فقط، وإذا تُركت لفترة كافية، يمكن أن تتكاثف لتشغل مساحة كبيرة مثل حوض الاستحمام. يقول تانغ «نعتقد أن هذا نظام جيد رخيص جداً، ويسهل صنعه بكميات كبيرة جداً، وهي مادة أكثر ألف مرة على الأقل من نظام الإشريكية القولونية».
ولإثبات إمكانات نظامهم، ابتكر الباحثون مادة تتضمن الخميرة التي تستشعر الاستراديول، والتي توجد أحياناً على أنها ملوث بيئي، في نسخة أخرى، استخدموا سلالة من الخميرة تنتج بروتيناً متوهجاً يسمى لوسيفيراز عند تعرضهم للضوء الأزرق، يمكن استبدال هذه الخمائر بسلالات أخرى تكتشف الملوثات أو المعادن أو مسببات الأمراض الأخرى.
ويمكن زراعة البكتريا في وسط زراعة الخميرة العادي، والذي استخدمه الباحثون في معظم دراساتهم، لكنهم أظهروا أيضاً أنها يمكن أن تنمو في الشاي مع السكر، ويتصور الباحثون أنه يمكن أن يستخدمها الناس في المنزل لإعداد مرشحات المياه أو غيرها من المواد المفيدة. يقول تانغ «يمكن للجميع فعل ذلك في مطبخهم أو في منازلهم، ليس عليك أن تكون خبيراً، أنت فقط في حاجة إلى السكر، وتحتاج إلى الشاي لتوفير العناصر الغذائية، وتحتاج إلى قطعة من الخميرة تتضمن البكتريا (سكوبي)».