الابتكارات في مجال الصناعات الكيميائية الحيوية من أجل تصنيع المواد الكيميائية الخضراء

وقد أصبحت الاستدامة أولوية غير قابلة للتفاوض بالنسبة لقطاع الصناعة التحويلية الكيميائية، إذ أن العمليات الكيميائية التقليدية تعتمد على درجات حرارة عالية، وعلى ضغوط عالية، ومذيبات سامة لحفز ردود الفعل، مما يترك آثاراً بيئية كبيرة في شكل استهلاك للطاقة، والمنتجات الثانوية الخطرة، والنفايات، وكثيراً ما يؤدي الضغط المتزايد لخفض انبعاثات غازات الدفيئة، ويمتثل لأدوات أكثر صرامة، ويلبي طلب المستهلكين على المنتجات الخضراء.

وتتوسع سوق الأنزيمات العالمية، التي تقدر قيمتها بأكثر من 10 بلايين دولار من دولارات الولايات المتحدة، بسرعة حيث تعترف الصناعات من المستحضرات الصيدلانية إلى البلاستيك بفوائد التشغيل والاستدامة الناجمة عن التحلل الأحيائي، وتُسجِّل الابتكارات في هندسة البروتين، وعلم البيولوجيا التركيبية، وتصميم العمليات، وتدفع حدود ما يمكن أن تحققه الأنزيمات، مما يتيح ردود فعل اعتبرت سابقا غير عملية أو غير اقتصادية.

دور المحللين البيولوجيين في الكيمياء الخضراء

إن الانزيمات هي جزيئات محفزة للطبيعة - بروتين تعجل ردود الفعل الكيميائية بالخصوصية والكفاءة الاستثنائيتين، وعلى عكس الحفازات الكيميائية التقليدية مثل المعادن أو الأحماض القوية، فإن الانزيمات تعمل على النحو الأمثل عند درجات الحرارة القريبة من اللبس وحامض السلف، وغالبا ما تكون في الماء كما هو الحال، وهذه النوافذ الميكانيكية الصغيرة تقلل مباشرة من مطالب الطاقة، وتخفض من استخدام المذيبات العضوية المتطاولة، وتقلل إلى أدنى حد توليد النفايات.

إن الانتقائية العالية للانزيمات هي ميزة حرجة، وكثيرا ما تنتج الحفازات التقليدية مزيجا من الأيزومرات أو المنتجات الجانبية، مما يتطلب خطوات تنقية باهظة التكلفة، وتعترف الانزيمات بمجموعات فرعية محددة وتحفز التحول المرغوب فيه فقط، وهذا الدقة حيوي بالنسبة للصناعات مثل المستحضرات الصيدلانية، حيث يمكن لنقاء المواد النباتية أن يحدد كفاءة وسلامة المخدرات.

وتمتد هذه المواد الحفازة الكيميائية الحيوية إلى عدة فئات استناداً إلى نوع ردود الفعل التي تحفيزها، وتيسر عمليات التخصيب (مثل الهيدروجينات والزهور) ردود الفعل ذات الأهمية القصوى، وتستخدم بشكل متزايد في توليف المواد الكيميائية الحسنة وفي المعالجة الأحيائية، وتُعدّ النظائر (الدميات، والإسهال، والثبات) أدوات عمل في قطاعات الأغذية والمعاملات، والصناعات الدوائية.

ويعزز تطبيق الانزيمات في التصنيع عدة مبادئ من المبادئ الاثني عشر للكيمياء الخضراء: فهو يقلل من استخدام المواد الخطرة، ويقلل كثافة الطاقة، ويمكِّن في كثير من الأحيان من التحول الحفاز بكفاءة عالية، ومن الأمثلة البارزة على ذلك الإنتاج الانزيمي للخليد المميت من قبل شركة ميتسوبيشي رايون، التي حلت محل عملية مسببة للعضلات النحاسية، وهي عبارة عن 40 في المائة من المواد الهادرات الوبائية.

الابتكارات الأخيرة في مجال التحفّل الكيميائي الأحيائي

وقد شهد العقدان الماضيان ثورة في هندسة الأنزيمات، مدفوعة بتقنيات تسمح للباحثين بفرز المصانع الحيوية للظروف الصناعية، وبرزت ثلاثة مسارات ابتكارية رئيسية: التطور الموجه، وتطهير الانزيمات، والبيولوجيا الاصطناعية، وفي الآونة الأخيرة، انضم التصميم الحسابي إلى مجموعة الأدوات، والتعجيل بالاكتشاف والتفكير الأمثل.

Directed Evolution

تطور مباشر، بقيادة فرانسس أرنولد في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، يُذكر الاختيار الطبيعي في المختبر ليتطور الانزيمات مع وظائف محسنة أو جديدة، وتشمل هذه العملية جولات متكررة من التهاب المتحولات (تدخّل تغييرات عشوائية في جينات الانزيم) تليها فحص السمات المرغوبة مثل النشاط العالي، أو القدرة على الحرق، أو الخصخصة، أو التسامح مع المذيبات العضوية في عام 2018.

(ب) أمثلة صناعية [محددة: تستخدم المحور، وهي شركة للتحليل البيولوجي، التطور الموجه لخلق خطف كيتوريكي لتوليف الأورام السائلة ذات الفلورية المنخفضة، وتشغل الأنزيمات المُعدية تركيزات عالية من المواد البلاستيكية وتُحقق زيادة قدرها 99 في المائة من المواد البلاستيكية، وتبسّط عملية التصنيع والحد من النفايات.

Enzyme Immobilization

وفي حين أن الانزيمات الحرة نشطة في الحل، فإن استعادة هذه الانزيمات وإعادة استخدامها يمكن أن تكون صعبة، لا سيما في العمليات المستمرة، ويعلق التشريح على الانزيم على دعم قوي - مثل الخرز السليكية، والجسيمات النانوية المغناطيسية، أو التكاثر المتعدد الزمان من خلال الامتصاص المادي، أو الترميز المتزامن، أو الكبسولة.

(ب) توفر المواد الخام مثل الأطر المعدنية العضوية مساحة سطحية عالية وأحجاماً قابلة للتسويق، وتحمي الأنزيمات من البيئات القاسية مع السماح بنشرها دون الحد الأدنى من الانبعاثات، وتُعد مجاميع الأنزيمات المتقاطعة (كلاي آند إي) طريقة أخرى فعالة، مما يخلق جسيمات غير قابلة للذوبان ذات نشاط مرتفع.

Synthetic Biology and de novo Enzyme Design

ويمتد علم الأحياء الاصطناعية من هندسة الأنزيمات من تعديل البروتينات الموجودة لتصميم أنواع جديدة تماماً، ومن خلال الجمع بين مجالات بروتينية نموذجية، والنموذج الحاسبي، والقدرة على تجميع جينات اصطناعية، يمكن للباحثين أن يخلقوا انزيمات لرد الفعل التي لا تزال غير طبيعية، فعلى سبيل المثال، استخدم العلماء في جامعة واشنطن تصميمات الكيمياء الاصطناعية المبتكرة لتصميم الاصطناعي.

وثمة حدود أخرى تتمثل في بناء سلسلة تعاقبية متعددة الانزيمات، حيث يعمل العديد من الأنزيمات متتالية داخل سفينة رد واحدة، مما يؤدي إلى نقل مسارات الأيضية، ويمكن أن يحول هذا النهج مواد البدء البسيطة إلى منتجات معقدة في وعاء واحد، ويقلل إلى أدنى حد من العزلة الوسيطة والنفايات، وعلى سبيل المثال، تم استحداث سلسلة من خمسة انزيمات لإنتاج الهيدروكلوريد الكميائي من سلائف بسيطة في خطوة واحدة.

الهندسة الحاسوبية

(ب) أن تكون نماذج حسابية يمكن أن تنبأ بها عن تطور [التحوط الكيميائي]، وأن تؤدي إلى إحداث تغييرات مفيدة في التصميم الدقيق، وأن تؤدي هذه الأدوات إلى تقليص وقت وكلفة تطوير الأنزيمات.

التطبيقات في الصناعة

وقد انتقلت الابتكارات المذكورة أعلاه من المختبرات الأكاديمية إلى المفاعلات التجارية، مما أتاح تصنيع المواد الخضراء عبر قطاعات متعددة.

الوقود الأحيائي والمواد الكيميائية المتجددة

أما إنتاج الغازات الرئوية المستخرجة من المخلفات الزراعية والكتلة الأحيائية الخشبية، فتعتمد على إنزيمات الخلايا التي تكسر الفولطية إلى السكر المحمَّل، وتنتج شركات مثل التنافرات الخماسية وغاز الديون (والآن جزء من دو) خلايا إنزيمية ذات قدرة عالية على العمل واستقرارها في ظل الظروف الصناعية، مما يقلل من تكلفة توليد السكر الأحيائي.

الصيدليات

وقد أصبح التحليل الأحيائي حجر الزاوية في التوليف الصيدلي الحديث، إذ إن العديد من العقاقير التي تُعدّل في المكعب، بما في ذلك الطائرتان المحتويتان على الزئبق (Stagliptin) وجهاز التلقيح في المصانع (Tafizer) (Tafisis) (T) (الاستعراضات المسببة للإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية (Helatravzy) (Ce) (Hiurd))) (الغاز) (الغاز) (الغاز)) (الغاز) (الغاز)) (الغاز)) (الغاز)) (الغاز))) (الغاز) (الغاز) (الغاز))) (الغاز)))) (الغاز))) (الغاز المُعدوانع (الغاز))

إعادة تدوير البلاستيك

وربما يكون أحد أكثر التطبيقات إثارة هو إعادة تدوير البلاستيك من الانزيمات، حيث أن الانزيمات التي اكتشفت في البكتريوم Ideonella sakaiensis قد تكسر أيضاً البوليثيلين تيرفتال (PET) في أحاديثها، وحامض الكبريتيك، وخليد إيثيلين.

المواد الكيميائية الحسنة والكيميائية الزراعية

ويتزايد استخدام الأنزيمات لإنتاج النكهة، والآفات، والوسطاءات الكيميائيات الزراعية، وتستخدم الليزبات لتجميع المصابيح التي تستخدم كثافة وأجهزة خلل، وتحل محل الحفازات الكيميائية التي تتطلب درجات حرارة عالية وتترك المخلفات المعدنية المكتشفة، وفي إنتاج مادة الألففوزيت، وهي وسيلة إنزيمية تستخدم فيها مادة غازاً مسبباً للضغط في آن واحد.

الغذاء، والغضب، والمدمرين

وفي حين أن هذه الصناعات قد لا تُعتبر دائماً " صناعات كيميائية " ، فإنها تعتمد على إنتاج واسع النطاق للمكونات ووكلاء التنظيف، وقد استخدمت الأنزيمات لعقود في هذه القطاعات، ولكن الابتكارات الحديثة تحسن الأداء والاستدامة، فعلى سبيل المثال، فإن نظارات ورشيات إنتاج المواد الكبريتية التي تستخدم في الخبز والرطوبة، وتُعد الغسيل عاملاً قوياً في درجات حرارة الدنيا، مما يوفر الطاقة الباردة.

التحديات والفرص

وعلى الرغم من التقدم المثير للإعجاب، لا تزال هناك عقبات كبيرة قبل أن يصبح التحلل الأحيائي الخيار غير الافتراضي للصناعة الكيميائية، فاستقرار الانزيم في ظل الظروف الصناعية - تركزات عالية من المواد الكيميائية، وغير المذيبات، والهكتار المتطرف، وارتفاع درجات الحرارة - لا يزال قيدا، وفي حين أن التطور الموجه والتنشيط قد تحسن الاستقرار، فإن الكثير من الانزيمات تحتاج إلى زيادة التأقلم مع سعة عوامل التحفيز التقليدية.

ويعتبر فهم حرجية الارتقاء بالزيوت الحركية ونقل الكتل في النظم المتباينة )مثلاً عندما تكون الانزيمات غير مجهزة( ، إذ تتطلب عمليات صناعية كثيرة معدلات مرتفعة من حيث الارتفاع أو ارتفاع مستوى الحساسية من المواد الغذائية التي يمكن أن تلحق الضرر بالأنزيمات السائلة أو تحد من إمكانية الوصول الى المواد الخفيضة ، كما أن التقدم في تصميم المفاعلات مثل مفاعلات التوليدة تساعد على التغلب على الأداما .

غير أن دفع انبعاثات صافي الـ صفر بحلول عام 2050 يدفع الشركات الكيميائية الرئيسية إلى الاستثمار في التحليل الأحيائي، وقد تؤدي الشراكات بين شركات اكتشاف الأنزيم (مثلاً، المحوريات، والنوفوزيز، والصناعات الكيميائية (مثلاً، ديم، دوبونت، إيفونيك) إلى تسريع عملية التصنيع التجاري.

الآفاق المستقبلية

ومستقبل المحفزات الكيميائية الحيوية في الصناعة الكيميائية الخضراء مشرق، حيث ترسم عدة اتجاهات في شكل العقد القادم، أولا، أن الاستخبارات الاصطناعية والتصميم الحاسوبي سيستمران في تعجيل اكتشاف الأنزيمات وتحقيقها على الوجه الأمثل، وأن أدوات مثل ألفافولد-2، نماذج اللغات البروتينية، ودورات التعلم الآلية التي تبنى الاختبارات على التصميم ستمكن من الإنشاء السريع للأنزيمات المصممة خصيصا لردات الصناعية المحددة.

ثانياً، سيقود مفهوم الاقتصاد الدائري إلى زيادة الابتكار في إعادة تدوير الأنزيمات وتقلبات التدوير، إذ أن الانزيمات التي تحط من مسارات النفايات المعقدة - بما في ذلك البلاستيك المختلط والمنسوجات والمحتكرانات الإلكترونية من النفايات إلى أحواض الصرف ستؤدي إلى سد الثغرات المادية، كما أن البحث في إنزيمات البلاستيك للبوليفينات (البوليثيلين، والبوليبروبيلين) يؤدي إلى تحقيق تقدم في مجال النسيج، ولكن أحدث

وأخيرا، فإن التحول نحو مراكز التصنيع اللامركزي والصناعات الحيوية، التي يمكن أن تُمكن من تركيبات انزيمات ثابتة وخاضعة للجرف، يمكن أن يقلل من الحاجة إلى محطات كيميائية مركزية كبيرة، وهذا يتوافق مع التحرك الأوسع نحو سلاسل الإمداد المستدامة والإنتاج المحلي، ومع استمرار الاستثمار في البحوث والتعاون بين الأوساط الأكاديمية والصناعة، وأطر السياسات الداعمة، فإن العوامل الحيوية الحفزية الحيوية ستؤدي دورا محوريا في تحقيق أهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة، ولا سيما في مجال المناخ.

وقد كانت الرحلة من الفضول المختبري إلى قطاع العمل الصناعي مهمة للغاية، وقد أثبتت الانزيمات أنها عوامل حافزة فعالة وسليمة بيئياً، وبما أن الصناعة الكيميائية تواجه ضرورة إزالة الكربون وإبطال السمة، فإن الابتكارات في المواد الحيوية التي نوقشت هنا توفر مساراً واضحاً للأمام، ليس فقط أكثر خضراء بل أكثر ربحية، ولكن يمكن التنبؤ بالموجة القادمة من الاختراقات أن تأتي من مناطق أخرى.