تطوير الميكروبات لعصر التصنيع الحيوي

يستكشف جو برايس، والدكتور كانج لان تي، والبروفيسور توك سينج وونج، اعتماد نهج شامل لتطوير الميكروبات في عصر التصنيع الحيوي

منذ أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، اقترح العلماء في جميع أنحاء العالم أن البشر فعلوا شيئًا لم يفعله أي كيان بيولوجي من قبل: وهو تحويل كوكبنا بشكل مباشر إلى عصر جيولوجي جديد. إن هذه الحقبة - “الأنثروبوسين” - هي نتيجة للتأثير السلبي إلى حد كبير الذي أحدثناه على الأرض، وهو يجلب حاجة ماسة إلى نقل صناعاتنا وأساليب حياتنا نحو أنظمة جديدة مستدامة ودائرية، تعيش في الانسجام مع الكوكب بدلا من الخلاف.

التصنيع الحيوي في جميع القطاعات

ولتحقيق هذه الأهداف المثالية، يتعين علينا أن نتبنى التصنيع الحيوي في كافة قطاعات الاقتصاد العالمي.

ومن خلال التصنيع الحيوي، يمكننا الاستفادة من الميكروبات كمصانع طبيعية لإنتاج مجموعة واسعة من المنتجات بشكل مستدام تمتد من البلاستيك الحيوي إلى المكونات الغذائية ووقود الطائرات واللقاحات. إذا كان المنتج عضويًا في تركيبته الكيميائية، فمن المحتمل أن يتم إنتاجه باستخدام مصنع ميكروبي.

ومع ذلك، تركز معظم عمليات التصنيع الحيوي الحالية على استخدام سلالات ميكروبية مفردة كمصانع بيولوجية. تتم زراعة هذه السلالات داخل صهاريج تخمير فولاذية ضخمة وحدها وفي ظروف محددة للغاية لا تمثل حالات وجودها الطبيعية. وهذا يجعل عمليات التصنيع الحيوي غير فعالة والمشاريع مكلفة وعالية المخاطر.

في الأساس، لنفترض أن المنتج الحيوي النهائي مكلف للغاية بحيث لا يمكنه التنافس مع المنتجات القائمة مثل المواد البلاستيكية المشتقة من البتروكيماويات أو بروتينات الحليب المشتقة من الزراعة المكثفة. وفي هذه الحالة، لن ينجح التصنيع الحيوي أبدا بالمستوى الذي نحتاجه.

يجب علينا تسخير علم الأحياء بطرق لم نفعلها من قبل لتغيير هذا الوضع. لكن علم الأحياء جامح وفوضوي وغامض بشكل معرق. للاستفادة منه بشكل كامل في التصنيع الحيوي، نحتاج إلى تغليف هذا الالتواء في فلسفاتنا الهندسية من خلال تجاوز التصميم الحتمي فقط وتبني العملية الإرشادية والتحسين العشوائي.

ولحسن الحظ بالنسبة لنا، فإن أقدم مبدأ في علم الأحياء قد فعل هذا بالفعل.

التطور: المصمم النهائي

الاستفادة من التطور بنجاح

ولكن لتطبيق القوة الكاملة للتطور في البيولوجيا التركيبية والتصنيع الحيوي، نحتاج إلى تغيير عقليتنا حول ما يعنيه “التصميم”.

في كتاب عالم الوراثة البروفيسور ستيف جونز “تقريبا مثل الحوت”، يشير إلى مثال قوي على المكان الذي تم فيه تعزيز التطور بنجاح في الأماكن غير المتوقعة: تصميم رؤوس المضخات لخط إنتاج تصنيع الصابون. في هذه المشكلة غير البيولوجية تمامًا، كان التفاعل المعقد بين انخفاض الضغط الذي يحول السائل إلى مسحوق أثناء الضخ يعني أن مهندسي مصنع الصابون كانوا يفتقرون إلى الفهم العقلاني لمشكلتهم اللازمة لهندسة الحل. لذلك، اتخذوا نهجًا غير تقليدي: التصميم بدون مصمم واعٍ. أو بمعنى آخر التطور.

قام المهندسون بتعديل تصميم فوهة الصابون بشكل عشوائي، واختبروا كل تكرار جديد، ثم أخذوا الإصدارات المحسنة فقط للأمام لجولة أخرى من التغييرات العشوائية (“الطفرات”). في النهاية، بعد تكرار هذه الدورة (“أجيال”) بما يكفي، أصبح لدى صانعي الصابون عائلة كاملة من “أنواع” مختلفة من الفوهات، تطور كل منها لرش نوع معين من المسحوق بمستوى جديد من الكفاءة.

كان تصميم هذه الفوهات معقدًا ومعقدًا، والأهم من ذلك، أنه غير متوقع. من خلال تبني فلسفة التصميم من أعلى إلى أسفل وإخراج مهندس الفوهة العقلاني من هندسة الفوهة، أطلق صانعو الصابون القدرة على استكشاف مساحة حل أعمق بلا حدود من تلك التي بدأوا بها وبناء حل كان من المستحيل تحقيقه. تطوير باستخدام التصميم الحتمي من أسفل إلى أعلى فقط.

إذا كان من الممكن تطبيق التطور لحل مشكلة هندسية تقليدية متجذرة في خط إنتاج تم بناؤه بشكل عقلاني، فلا ينبغي أن يكون لتطبيقه إمكانات أكبر في أي مكان أكثر من التصنيع الحيوي، حيث تتجذر مشاكل الهندسة الحيوية في الأنظمة التي تطور نفسها بشكل متكرر وغير عقلاني لمليارات السنين. . ولكن بينما نتحرك نحو ثورة مستدامة في التصنيع الحيوي، فإننا غالبًا ما نهمل قوة التصميم العشوائي.

تعتبر الإشريكية القولونية أكثر الميكروبات الموجودة التي تمت دراستها جيدًا. ومع ذلك، فإننا نفتقر إلى الفهم الوظيفي لـ 35% من جيناته. وحتى في البكتيريا الاصطناعية المبنية من الصفر بحيث تحتوي فقط على الجينات الضرورية للنمو، فإن الوظيفة البيولوجية لـ 30% من هذه الجينات الحيوية تظل غير معروفة. في الإشريكية القولونية، تُعرف هذه الجينات غير المشروحة بشكل جماعي باسم y-ome: الفضاء الحدي للهندسة الحيوية.

يعد الاستفادة من أسرار Y-ome بمثابة عنق الزجاجة الرئيسي أمام تطور الميكروبات عند الاعتماد على الهندسة الوراثية الحتمية البحتة. ومع ذلك، فهو عنق الزجاجة الذي يمكن حله بسهولة باستخدام التطور كأداة لتوسيع مساحة الحل الجيني إلى ما هو أبعد بكثير مما هو معروف عقلانيا. السر يكمن فقط في كيفية توجيه وتوجيه العملية التطورية لبناء مصانع ميكروبية بالسمات التي نرغب في تطبيقها تجاريًا.

في حين أن هذا السر قد يبدو بسيطا، إلا أنه بعيد عن ذلك. إن نشر التطور كحل عبر ثورة التصنيع الحيوي يحتاج إلى جهد متضافر من العلماء والتقنيين في جميع أنحاء العالم. نحن بحاجة إلى فهم مبادئ وآليات التطور بشكل أعمق، وكيفية تطبيقها بدقة لدفع الاختيار في الاتجاهات المفيدة لنا.

التحديات المقبلة

يجب علينا تصميم أنظمة أجهزة مخصصة لتطور الميكروبات بشكل دائم يمكن التحكم فيه بإحكام بمعدلات إنتاجية غير ممكنة حاليًا. يجب علينا تطوير طرق جديدة لتضخيم التنوع الجيني، وإنشاء مجموعات أكبر من الطفرات، والوصول إلى الجينات الخاملة. ولعل الأمر الأكثر تحديًا هو أننا يجب أن نضع غطرستنا جانبًا ونحتضن الجمال والتعقيد والإمكانات الخفية للأنظمة العشوائية. ولتحقيق هذا، يتعين علينا أن نلقي نظرة شمولية على كيفية تصنيع المصانع الميكروبية، سواء من حيث الهندسة إلى الأعلى بشكل حتمي أو التطور إلى الأسفل بشكل عشوائي.

وفي مكان ما بين الاثنين، سوف نتعلم التحدث بلغة العالم الميكروبيولوجي وبناء مستقبل اقتصادي حيوي للحفاظ على جنسنا البشري في وئام لقرون وآلاف السنين القادمة.

منح

زمالة الأكاديمية الملكية للمشاريع الهندسية (EF2122-13126، إلى JP).

منحة إثبات المفهوم من الأكاديمية الملكية للهندسة (PoC2021\24، إلى TSW).

RAEng|زمالة الأبحاث العليا في Leverhulme Trust (LTSRF1819\15\21، إلى TSW).

جائزة المحقق الجديد EPSRC (EP/X025853/1، إلى KLT).

المصدر