قفزة محتملة في الإنتاج الزراعي باكتشاف تقنية جديدة تعزز التمثيل الضوئي

غذاء ومناخ 

يخطط باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، لتطبيق تقنية جديدة على أنواع من الروبيسكو، وهو الإنزيم الذي يُحفز عملية التمثيل الضوئي، والتي يمكن استخدامها في النباتات للمساعدة في تعزيز معدلات التمثيل الضوئي لديها، ما قد يؤدي إلى قفزة محتملة في الإنتاج الزراعي.

والتمثيل الضوئي؛ هو عمليةٌ تستخدمها النباتات والطحالب وبعض البكتيريا لتحويل الطاقة الضوئية، عادةً من الشمس، إلى طاقة كيميائية على شكل جلوكوز. وتستخدم هذه العملية ثاني أكسيد الكربون والماء، مُطلقةً الأكسجين كناتجٍ ثانوي. يُعدّ التمثيل الضوئي ضروريًا للحياة على الأرض، إذ يُشكّل أساس معظم السلاسل الغذائية، ويُحافظ على توازن الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

وأعاد علماء المعهد الأميركي هندسة إنزيم الروبيسكو، الذي لطالما أثار استياء العلماء بسبب بطء أدائه.

باستخدام تقنية متطورة تُسمى التطور الموجه المستمر، عززوا كفاءة الإنزيم بنسبة تصل إلى 25%. ويقاوم إنزيم الروبيسكو المُطور مختبريًا تداخل الأكسجين، ويمكن أن يُمهد الطريق لمحاصيل أسرع نموًا، ونباتات أكثر كفاءة، وقفزة محتملة في الإنتاج الزراعي حول العالم، وفقًا لتقرير اطلعت عليه منصة “غذاء ومناخ“.

وأثناء عملية التمثيل الضوئي، يُحفز إنزيم يُسمى الروبيسكو تفاعلًا رئيسًا – وهو دمج ثاني أكسيد الكربون في المركبات العضوية لتكوين السكريات. ومع ذلك، فإن إنزيم الروبيسكو، الذي يُعتقد أنه أكثر الإنزيمات وفرةً على وجه الأرض، غير فعال للغاية مقارنةً بالإنزيمات الأخرى المشاركة في عملية التمثيل الضوئي.

تحسين نسخة من الروبيسكو ودعم الإنتاج الزراعي

أظهر كيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أن بإمكانهم تحسين نسخة من الروبيسكو الموجودة في البكتيريا من بيئة منخفضة الأكسجين بشكل كبير. وباستخدام عملية تُعرف باسم التطور الموجه، حددوا طفرات يمكن أن تعزز الكفاءة التحفيزية للروبيسكو بنسبة تصل إلى 25%.

وقال أستاذ الكيمياء في المعهد (دفعة 1942)، ماثيو شولدرز: “أعتقد أن هذا دليل قاطع على نجاح تحسين الخصائص الأنزيمية للروبيسكو، ما يبعث على أمل كبير في هندسة أشكال أخرى من الروبيسكو”.

ويقوم شولدرز مع روبرت ويلسون، عالم أبحاث في قسم الكيمياء، بإجراء الدراسة الجديدة، التي نُشرت في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. وجولي ماكدونالد، طالبة الدراسات العليا في المعهد، هي المؤلفة الرئيسة للورقة البحثية.

وبالمقارنة مع الإنزيمات الأخرى المشاركة في عملية البناء الضوئي، يُعدّ الروبيسكو بطيئًا جدًا، إذ يُحفّز تفاعلًا واحدًا إلى عشرة تفاعلات فقط في الثانية. إضافة إلى ذلك، يُمكن للروبيسكو أيضًا التفاعل مع الأكسجين، مما يُؤدي إلى تفاعل مُنافس يتضمن الأكسجين بدلًا من الكربون – وهي عملية تُهدر بعض الطاقة المُمتصة من ضوء الشمس.

وأدت الأبحاث السابقة إلى تحسين استقرار الروبيسكو وذوبانيته، مما أدى إلى مكاسب طفيفة في كفاءة الإنزيم. واستخدمت معظم هذه الدراسات التطور المُوجَّه – وهي تقنية يتم فيها تحوير بروتين طبيعي عشوائيًا ثم فحصه بحثًا عن ظهور خصائص جديدة مرغوبة، ما يسهم في زيادة الإنتاج الزراعي.

خسارة 30% من طاقة ضوء الشمس

استخدم فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقنيةً أحدث للطفرات الجينية، طوّرها مختبر شولدرز سابقًا، وتُسمى MutaT7. ، تُمكّن الباحثين من إجراء كلٍّ من الطفرات الجينية والفحص في الخلايا الحية، ما يُسرّع العملية بشكل كبير. كما تُمكّنهم تقنيتهم من تحوير الجين المستهدف بمعدل أعلى.

بعد 6 جولات من التطور الموجّه، حدد الباحثون 3 طفرات مختلفة حسّنت مقاومة الروبيسكو للأكسجين. تقع كل من هذه الطفرات بالقرب من الموقع النشط للإنزيم. يعتقد الباحثون أن هذه الطفرات تُحسّن قدرة الإنزيم على التفاعل التفضيلي مع ثاني أكسيد الكربون بدلًا من الأكسجين، مما يؤدي إلى زيادة إجمالية في كفاءة الكربوكسيل.

وقال شولدرز: “السؤال الأساسي هنا هو: هل يُمكن تغيير وتحسين الخصائص الحركية للروبيسكو ليعمل بشكل أفضل في البيئات التي يُراد له أن يعمل فيها بشكل أفضل؟”. “ما تغير من خلال عملية التطور الموجه هو أن الروبيسكو بدأ يُفضل التفاعل مع الأكسجين بشكل أقل. وهذا يسمح لهذا الروبيسكو بالعمل بشكل جيد في بيئة غنية بالأكسجين، حيث عادةً ما يُشتت انتباهه باستمرار ويتفاعل مع الأكسجين، وهو ما لا يُراد له أن يفعله.”

وفي العمل الجاري، يُطبق الباحثون هذا النهج على أشكال أخرى من الروبيسكو، بما في ذلك الروبيسكو المُستخرج من النباتات.

 يُعتقد أن النباتات تفقد حوالي 30% من الطاقة من ضوء الشمس الذي تمتصه من خلال عملية تُسمى التنفس الضوئي، والتي تحدث عندما يعمل الروبيسكو على الأكسجين بدلًا من ثاني أكسيد الكربون.

وقال ويلسون: “هذا يفتح الباب أمام العديد من الأبحاث الجديدة والمثيرة، ويمثل خطوةً تتجاوز أنواع الهندسة التي سادت هندسة الروبيسكو في الماضي”. وأضاف: “هناك فوائد أكيدة للإنتاجية الزراعية يمكن الاستفادة منها من خلال تحسين الروبيسكو”.