אקולוגיה וסביבה

ללמד חיידקים לקבע פחמן דו-חמצני – מצרכן ליצרן באמצעות אבולוציה מעבדתית והנדסה מטבולית 

15 בנובמבר, 2022

סטודנטית דוגמת תרבית, המגודלת למשך זמן ארוך לצורך גמילת חיידקים מסוכר, במעבדת 'עקרונות פעולה של רשתות אנרגיה ומטבוליזם' שבמכון ויצמן למדע | צילום: רועי בן ניסן


מאת

רועי בן ניסן
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
אליה מילשטיין
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
ליאור גרינשפון
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
אלעד נור
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
רון מילוא
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע

מאת

רועי בן ניסן
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
אליה מילשטיין
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
ליאור גרינשפון
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
אלעד נור
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
רון מילוא
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע

החיים על פני כדור הארץ מתבססים, בדרך זו או אחרת, על קיבוע פחמן – היכולת של צמחים, אצות וחיידקים שונים להמיר פחמן דו-חמצני למולקולה אורגנית, סוכר, המשמשת אבן יסוד הכרחית לתהליכי החיים. אותם יצורים המספקים מקור פחמן זמין לכל שרשרת המזון, נמצאים בתחתית המארג, ומכונים יצרנים. לעומתם, במעלה מארג המזון מצויים הצרכנים – יצורים המשתמשים בסוכרים שייצרו היצרנים ומשחררים בחזרה לסביבה פחמן דו-חמצני. קבוצת הצרכנים כוללת חיידקים רבים, פטריות ובעלי חיים, בהם גם בני האדם. כך נוצרת מחזוריות: הסוכר הופך זמין לממלכת החיים בזכות היצרנים, מנוצל על-ידי הצרכנים, וחוזר לאטמוספרה כפחמן דו-חמצני. תהליך קיבוע הפחמן הוא כנראה אחד מתהליכי החיים העתיקים ביותר, והאחראי לממלכת החיים שאנו מכירים כיום.

כאשר בני האדם משתמשים במחצבי פחמן שנוצרו בזכות היצרנים בצורת דלקים, ומשחררים כמות גדולה של פחמן דו-חמצני בחזרה לאטמוספרה, הם מובילים לעליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, שהיא גורם מרכזי לשינוי האקלים. יצרנים שונים עשויים לתרום לפתרון בעיית העלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באמצעות תהליך ביוכימי של קיבוע פחמן. בתהליך זה היצורים הללו תופסים את הפחמן ישירות מהאוויר ובונים בעזרתו את אבני הבניין של התאים. נשאלת השאלה, האם ניתן "לתכנת מחדש" יצור צרכן, כך שישתמש בפחמן דו-חמצני מהסביבה ויְיַצר סוכרים במקום לצרוך אותם? 

כדי לענות על שאלה זו בחרנו את חיידק האי-קולי, החיידק המאופיין ביותר על-ידי עולם המדע. תחילה מיפינו את הגנים החיוניים שחסרים בחיידק לצורך ביצוע תהליך קיבוע הפחמן ברמה המטבולית. בניגוד ליצורים פוטוסינתטיים כמו צמחים, אותו אי-קולי אינו מסוגל לייצר אנרגיה מאור השמש, ולכן נדרשה תוספת של גן שיאפשר לו ייצור אנרגיה מחומר זמין אחר, חומצה פורמית. כבר הוכח שניתן לייצר חומצה פורמית ביעילות גבוהה מפחמן דו-חמצני באמצעות השקעת אנרגיה חשמלית, והכוונה היא שבעתיד האנרגיה תהיה ממקור מתחדש. כמו כן, הכנסנו שלושה גנים נוספים הנדרשים עבור שילוב הפחמן דו-חמצני בחילוף החומרים הקיים. החיידק שיצרנו לא הצליח לבצע את השינוי התזונתי כפי שציפינו, ולכן השתמשנו בטריק נוסף: אבולוציה מעבדתית. בתהליך זה החיידקים גודלו בתנאי דיאטה מיוחדים – מצע גידול מוגבל בסוכר – כדי שיחוו מצב של רעב, אך עם מספיק סוכר כך שיוכלו לגדול בצורה מצומצמת שמאפשרת להם לעבור שינויים אקראיים בגנום שלהם – מוטציות. כמו כן, החיידקים זכו לשפע פחמן דו-חמצני. בדרך זו החיידקים שהחלו להשתמש במשאב הבלתי נדלה קיבלו יתרון אבולוציוני על פני אלה שנותרו תלויים במעט הסוכר שהיה במצע הגידול. לאחר תהליך הסתגלות ממושך למשטר התזונה החדש (כחצי שנה) השלימו החיידקים את המהפך התזונתי השלם: הם חיים ומתרבים בסביבה ללא סוכר כלל, ומקור המזון היחידי שלהם הוא פחמן דו-חמצני [2]. כך, הצלחנו לקחת יצור שהחל את דרכו כצרכן, והפכנו אותו ליצרן (אבל עדיין תלוי כמובן במקור אנרגיה).

מערכות ביולוגיות הניזונות מפחמן דו-חמצני, כמו הזן שיצרנו, הן אבן דרך לקראת פלטפורמה גמישה לייצור בר-קיימא של חומרים שונים ומזון. כיום בתעשיית הביו-טק מתקיים שימוש נרחב בחיידקים הניזונים מכמויות גדולות של סירופ תירס כדי לייצר כימיקלים תעשייתיים. החיידק שפיתחנו ומערכות דומות יאפשרו הסבה להזנה מבוססת פחמן דו-חמצני. בהמשך המחקר אנו מקווים לספק את האנרגיה לתהליכי התא באמצעות זרם חשמלי מאנרגיה ממקורות מתחדשים (אנרגיית שמש, למשל). גידול החיידקים בצורה זו אמור להוביל לחתימת פחמן שלילית של תוצרי החיידקים, כלומר סך כל התהליך יסיר פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה. נוסף על כך, מחקר שבוצע בשיתוף עם מעבדתנו מראה כי מבחינת נצולת שטח, מערכות כאלה לייצור מזון (ראו איור 1) עשויות להתעלות בביצועיהן על החקלאות המודרנית, ויכולות לייצר פי שניים יותר קלוריות ופי עשרה יותר חלבון – אפילו ביחס לגידולים חקלאים יעילים ביותר, כמו סויה [3].

איור 1.

חזון לתהליך הפקת מזון בר-קיימא בעזרת חיידקים

על אף התקדמות המחקר, מבחינה כלכלית הדרך עוד ארוכה מאוד. כשמשווים בין מחירי המוצרים שמייצרים יצורים מבוססי פחמן דו-חמצני לעומת הדרכים המסורתיות בתעשייה – קיים פער עצום לטובת הדרכים המסורתיות [1]. מספר גורמים עשויים לצמצמו. שינוי אחד יכול להגיע מהתפתחות טכנולוגית. לדוגמה, שיפור היעילות של היצירה והאגירה של אנרגיה ממקורות ירוקים או של ביצועי חיידקים באמצעות הנדסה גנטית, עשוי להוביל לעלייה בכמות התוצר לעומת האנרגיה המושקעת בתהליכי הייצור כיום. שינוי נוסף עשוי להגיע מירידה ברווחיות המוצרים הקיימים כרגע בשוק. שינוי האקלים מוביל לירידה בכמות השטחים הראויים לחקלאות, ובשילוב עם תהליכים נוספים עלול לגרור עלייה במחירי התוצרת החקלאית. שינוי מהותי נוסף סביר שיגיע מכיוון התוויית מדיניות, כמו סבסוד גופים העונים על קריטריונים סביבתיים לייצור ירוק ובר-קיימא של מוצריהם או לחילופין מיסוי כבד לגופים שמוצריהם מלווים בפליטות חומרים מזהמים שונים לסביבתם. 

בני האדם, כמו שאר היצורים הצרכנים בטבע, תלויים ביצרנים לצורך קיומנו. יצירת יצרנים חדשים, שקולטים פחמן דו-חמצני מהסביבה, עשויה להוביל לעלייה בכושר הנשיאה של כדור הארץ על חשבון גז החממה הנפוץ ביותר, פחמן דו-חמצני. בשעה ששניים מהאתגרים המרכזיים שהאנושות מתמודדת מולם הם ביטחון תזונתי ושינוי האקלים, מחקרים מהסוג הזה דחופים במיוחד.


  1. Gleizer S, Bar-On YM, Ben-Nissan R, and Milo R. 2020. Engineering microbes to produce fuel, commodities, and food from CO2. Cell Reports Physical Science 1(10): 100223.
  2.  Gleizer S, Ben-Nissan R, Bar-On YM, et al. 2019. Conversion of Escherichia Coli to generate all biomass carbon from CO2. Cell 179(6): 1255–1263. e12.
  3. Leger D, Matassa S, Noor E, et al. 2021. Photovoltaic-driven microbial protein production can use land and sunlight more efficiently than conventional crops. PNAS 118(26): e2015025118.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *


ציטוט מומלץ

בן ניסן ר, מילשטיין א, גרינשפן ל ואחרים. 2022. ללמד חיידקים לקבע פחמן דו-חמצני – מצרכן ליצרן באמצעות אבולוציה מעבדתית והנדסה מטבולית. אקולוגיה וסביבה 13(3).
העתק





כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

מחקרי סביבה אצלך בתיבה

    מחקרי סביבה אצלך בתיבה


      מאת

      רועי בן ניסן
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
      אליה מילשטיין
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
      ליאור גרינשפון
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
      אלעד נור
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
      רון מילוא
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע

      מאת

      רועי בן ניסן
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
      אליה מילשטיין
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
      ליאור גרינשפון
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
      אלעד נור
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע
      רון מילוא
      המחלקה למדעי הצמח והסביבה, מכון ויצמן למדע



      ציטוט מומלץ

      בן ניסן ר, מילשטיין א, גרינשפן ל ואחרים. 2022. ללמד חיידקים לקבע פחמן דו-חמצני – מצרכן ליצרן באמצעות אבולוציה מעבדתית והנדסה מטבולית. אקולוגיה וסביבה 13(3).
      העתק

      תכנים נוספים שעשויים לעניין אותך

      איור מתוך סדרת “אם וילד”

      נעמה בנזימן

      גיליון אביב 2011 / כרך 2(1) האיור הוצג במסגרת התערוכה ‘ISRAILLUSTRATORS – Israel’s finest picture book illustrators’. תערוכה נודדת שהציגה בין השנים 2006–2009

      האיור הוצג במסגרת התערוכה ‘ISRAILLUSTRATORS – Israel’s finest picture book illustrators’. תערוכה נודדת שהציגה בין השנים 2006–2009

      גיליון אביב 2011 / כרך 2(1)

      תנודות בגשמי הנגב בחמישים השנים האחרונות – האם עדות לשינוי באקלים?

      הדס סערוני, ברוך זיו, רואי פרגמנט, נעם חלפון, אבנר פורשפן, איזבלה אוסטינסקי-צדקי

      גיליון אביב 2012 / כרך 3(1) / הנגב ישראל ממוקמת באזור גבול אקלימי, בין האקלים הים תיכוני והאקלים הצחיח למחצה. אזור זה ידוע כנתון לתנודות בין-שנתיות ותוך-עונתיות גבוהות בכמויות. מטרת מחקר זה היא לבחון תנודות ושינויים בגשמי הנגב בחמישים השנים האחרונות ולהעריך את תרומתן של המערכות הסינופטיות ושל התנודות הגדולות למגמות השינוי בגשמים

      ישראל ממוקמת באזור גבול אקלימי, בין האקלים הים תיכוני והאקלים הצחיח למחצה. אזור זה ידוע כנתון לתנודות בין-שנתיות ותוך-עונתיות גבוהות בכמויות. מטרת מחקר זה היא לבחון תנודות ושינויים בגשמי הנגב בחמישים השנים האחרונות ולהעריך את תרומתן של המערכות הסינופטיות ושל התנודות הגדולות למגמות השינוי בגשמים

      גיליון אביב 2012 / כרך 3(1) / הנגב

      תפיסת הקשר בין העלייה בצפיפות האוכלוסייה ובגודלה לבין בעיות איכות הסביבה בישראל

      נורית כרמי

      גיליון סתיו 2017 / כרך 8(3) מחקר שבוצע במכללה האקדמית תל-חי התמקד בתפיסה של בעיות איכות הסביבה בישראל, במטרה לענות על השאלה: האם ובאיזו מידה נתפסת העלייה בגודל האוכלוסייה ובצפיפותה כקשורה ליתר הבעיות הסביבתיות?

      מחקר שבוצע במכללה האקדמית תל-חי התמקד בתפיסה של בעיות איכות הסביבה בישראל, במטרה לענות על השאלה: האם ובאיזו מידה נתפסת העלייה בגודל האוכלוסייה ובצפיפותה כקשורה ליתר הבעיות הסביבתיות?

      גיליון סתיו 2017 / כרך 8(3)
      לראש העמוד