با استفاده از پتانسیل‌های موجود در حوزه میکروبیولوژی، محققان دانشگاه ایالتی میشیگان مسیر تازه‌ای باز کردند که می‌تواند منجر به ساخت داروها، ویتامین‌ها و موارد دیگر با هزینه کمتر و با کارایی بهتر شود.
طراحی «نانوکارخانه» برای کمک به ساخت دارو و مواد شیمیایی
در طول سال‌های گذشته، محققان از آنزیم‌های موجود در باکتری‌ها برای ایجاد محصولات شیمیایی ارزشمند از جمله سوخت‌های زیستی و داروها استفاده کرده‌اند. با این حال، در کاربردهای صنعتی، اغلب به کل میکروارگانیسم برای تولید ترکیب مورد نظر توجه شده، که این موضوع منجر به مشکلاتی در پیاده‌سازی این فناوری شده است. این تیم تحقیقاتی بین‌المللی به رهبری هنینگ کرست و شریل کرفلد، ساختارهایی که به‌عنوان ریزمحفظه‌های باکتریایی شناخته می‌شوند را تغییر کاربری داده و آنها را برای تولید مواد شیمیایی ارزشمند از مواد اولیه ارزان‌قیمت برنامه‌ریزی کردند.
این تیم نتایج کار خود را در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر کرد. کرست، محقق ارشد در آزمایشگاه کرفلد که در آزمایشگاه ملی MSU و لارنس برکلی کار می‌کند، می‌گوید: «ریز محفظه‌ها مانند نانوراکتورها یا نانوکارخانه‌ها هستند.»
کرست گفت: «برای درک بهتر این فناوری، به این مثال توجه کنید. این راکتور مانند یک خانه است. اگر واکنش‌های مورد نظر در همه جای راکتور انجام شود، فرآیند می‌تواند بسیار پیچیده شود. تصور کنید که در زیرزمین شروع به دوش گرفتن می‌کنید، اما بعد باید به طبقه دوم بروید تا شامپو را از آنجا بردارید، سپس به زیرزمین برگردید تا دوش گرفتن را تمام کنید و سپس به طبقه اول بروید تا حوله خود را بردارید. این برنامه‌ریزی بسیار ناکارآمد است.»
در مورد میکروارگانیسم‌ها نیز شرایط مشابه همین مثال است، باکتری ممکن است یک عنصر را در یک طرف سلول خود بسازد، در حالی که آنزیم خاصی که از آن ماده برای ساختن محصول نهایی استفاده می‌کند، در طرف دیگر قرار دارد. سپس، حتی اگر آن عنصر بتواند در سراسر سلول حرکت کند، آنزیم‌های دیگری در طول مسیر وجود دارند که ممکن است آن را ربوده و برای کار دیگری استفاده کنند. کرست گفت: «ما همه چیزهایی را که برای یک کار نیاز داریم در یک اتاق قرار می‌دهیم. تقسیم‌بندی به ما کنترل بسیار بیشتری می‌دهد و کارایی را افزایش می‌دهد.»
برای اثبات عملکرد، این تیم یک سیستم ریز محفظه را مهندسی کردند که می‌توانست ترکیبات ساده و ارزان قیمت فرمات و استات را به پیرووات تبدیل کند. کرست گفت: «پیرووات همچنین یک پیش‌ساز نسبتا ساده برای تقریباً هر چیزی است به عنوان مثال از آن می‌توان برای تولید داروها، ویتامین‌ها و طعم دهنده‌ها استفاده کرد. اما ما فکر می‌کنیم که این فناوری را به بسیاری از مسیرهای متابولیکی دیگر قابل تعمیم دهیم.»
مولر رئیس بخش میکروبیولوژی و انرژی زیستی در دانشگاه گوته فرانکفورت است و در این پروژه شرکت نداشته است. او گفت: «این موضوع بسیار هیجان‌انگیز است و راه را برای استفاده از راهبرد مهندسی (ریز محفظه های باکتریایی) برای تولید ترکیبات مختلف از بسترهای ارزان هموار می‌کند.»
ریز محفظه‌های باکتریایی شبیه اندامک‌ها یا اندام‌های کوچکی هستند که در سلول‌های یوکاریوت‌ها، که شامل گیاهان، انسان و سایر حیوانات می‌شوند، یافت می‌شوند. اگرچه آنها در انواع مختلفی از باکتری‌ها یافت می‌شوند، جایی که به انجام واکنش‌های زیادی کمک می‌کنند، اما هنوز حوزه بسیار جدیدی محسوب می‌شود. کرفلد توضیح داد که ظهور میکروسکوپ الکترونی با وضوح بالا و تعیین توالی ژنی مقرون به صرفه لازم بود تا محققان درک کنند که این بخش‌ها چقدر گسترده و همه کاره هستند. محققان این پروژه با همکاری موسسه فیزیولوژی مولکولی گیاهان ماکس پلانک، این تطبیق‌پذیری را تقویت کردند. آنها نشان داده‌اند که چگونه دانشمندان می‌توانند نسخه‌هایی از این محفظه‌ها را ایجاد کنند که در طبیعت یافت نمی‌شوند.
کرفلد گفت: «ما می‌توانیم معماری محفظه را در نظر بگیریم و یک واکنش کاملاً جدید را وارد آن کنیم. این راهبرد را می‌توان به روش‌های مختلف به کار برد.»
کرست گفت: “من فکر می‌کنم این یک موفقیت بزرگ است. ما گام بزرگی برای ساختن اندامک باکتریایی مصنوعی برداشتیم.»
