فتوسنتز غذایی را که می خوریم و اکسیژنی را که تنفس می کنیم تولید می کند - آیا می تواند با تولید هیدروژن پاک سوز به رفع نیازهای انرژی آینده ما نیز کمک کند؟ محققانی که روی جلبک سبز تک سلولی تولید کننده هیدروژن به نام Chlamydomonas reinhardtii مطالعه می کنند، مسیر تخمیر ناشناخته ای را که قبلاً ناشناخته بود، کشف کردند که ممکن است فرصت هایی را برای افزایش تولید هیدروژن باز کند.
C. reinhartii، ساکن معمولی خاک، به طور طبیعی در صورت کمبود اکسیژن، مقادیر کمی هیدروژن تولید می کند.مانند مخمر و سایر میکروب ها، این جلبک در شرایط بی هوازی انرژی خود را از تخمیر تولید می کند. در طی تخمیر، هیدروژن از طریق عمل آنزیمی به نام هیدروژناز آزاد می‌شود که توسط الکترون‌های تولید شده توسط تجزیه ترکیبات آلی یا تقسیم آب توسط فتوسنتز تغذیه می‌شود. به طور معمول، تنها بخش کوچکی از الکترون‌ها به سمت تولید هیدروژن می‌روند. با این حال، یک هدف اصلی تحقیقاتی، ایجاد راه‌هایی برای افزایش این کسر بوده است که می‌تواند بازده بالقوه هیدروژن را افزایش دهد.
در مطالعه جدید Dubini و همکاران، منتشر شده در مجله شیمی بیولوژیکی، محققان در بخش بیولوژی گیاهی مؤسسه کارنگی، آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) و دانشکده معادن کلرادو (CSM))، فرآیندهای متابولیک را در یک سویه جهش یافته که قادر به جمع آوری آنزیم هیدروژناز فعال نبود، مورد بررسی قرار داد.
محققین که شامل الکساندرا دوبینی (NREL)، فلورانس موس (کارنگی)، مایکل سیبرت (NREL)، متیو پوسوویتز (CSM) و آرتور گروسمن (کارنگی) هستند، انتظار داشتند که متابولیسم سلول با افزایش متابولیت جبران شود. در امتداد سایر مسیرهای تخمیر شناخته شده، مانند مسیرهایی که فرمت و اتانول را به عنوان محصولات نهایی تولید می کنند، جریان می یابند.در عوض، جلبک‌ها مسیری را فعال کردند که منجر به تولید سوکسینات می‌شد، که قبلاً با متابولیسم تخمیر در C. reinhardtii مرتبط نبود. شایان ذکر است، سوکسینات، یک ماده شیمیایی صنعتی پرمصرف که معمولاً از نفت سنتز می‌شود، در فهرست 12 ماده شیمیایی برتر با ارزش افزوده زیست توده وزارت انرژی گنجانده شده است.
آرتور گروسمن از کارنگی می گوید: «ما در واقع نمی دانستیم که این مسیر خاص برای متابولیسم تخمیر در جلبک وجود دارد تا زمانی که جهش یافته را تولید کنیم. "این یافته نشان می دهد که انعطاف پذیری قابل توجهی در روش هایی وجود دارد که جلبک های سبز ساکن در خاک می توانند کربن را در شرایط بی هوازی متابولیزه کنند. با مسدود کردن و اصلاح برخی از این مسیرهای متابولیکی، ممکن است بتوانیم اهدای الکترون به هیدروژناز را در شرایط بی هوازی افزایش دهیم. و سطوح بالایی از هیدروژن تولید می کند."
گروسمن اشاره می کند که از نظر تکاملی منطقی است که ارگانیسم خاکی مانند کلامیدوموناس مسیرهای متابولیکی مختلفی در اختیار داشته باشد.سطح اکسیژن، در دسترس بودن مواد مغذی، و سطوح فلزات و سموم می تواند در خاک، در کوتاه مدت و بلند مدت، بسیار متغیر باشد. گروسمن می‌گوید: «در چنین محیطی، این موجودات باید مدارهای متابولیکی انعطاف‌پذیری را ایجاد کنند؛ شرایط مختلفی که موجودات زنده در معرض آن قرار می‌گیرند ممکن است یک مسیر را برای متابولیسم انرژی بر مسیر دیگر ترجیح دهد، که به ارگانیسم کمک می‌کند تا در محیط خاک رقابت کند. زمان تکامل."
گروسمن تلاش برای تولید ژنوم کلامیدوموناس کاملاً توالی‌بندی شده را رهبری کرد که به محققان این امکان را داد تا ژن‌های کلیدی کدکننده پروتئین‌های دخیل در تخمیر و تولید هیدروژن را شناسایی کنند. گروسمن احساس می کند که تولید سویه های جهش یافته جدید برای کمک به درک چگونگی تغییر متابولیسم تخمیر و تولید هیدروژن از اهمیت فوری برخوردار است. مایکل سیبرت از NREL، محقق اصلی پروژه، مشاهده کرد که "هدف کلی این کار دستیابی به درک اساسی از مجموعه کل فرآیندهای متابولیک در کلامیدوموناس و نحوه تعامل آنها است؛ این تلاش کشف منجر به توسعه راه های جدید خواهد شد. برای تولید هیدروژن تجدید پذیر و سایر سوخت های زیستی، که به نفع همه ما خواهد بود."
متیو پوسوویتز می گوید: «این دوران واقعاً هیجان انگیزی در این زمینه است. "ابزار توسعه یافته در کارنگی و سایر گروه‌ها در این زمینه فرصت‌های بی‌سابقه‌ای را برای دانشمندان فراهم می‌کند تا پیشرفت‌های مهمی در درک ما از زیست‌شناسی اساسی موجوداتی مانند کلامیدوموناس داشته باشند."
به عنوان یک منبع انرژی برای جایگزینی بالقوه سوخت های فسیلی، هیدروژن تا حد زیادی انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد. طرفداران تولید هیدروژن مبتنی بر جلبک خاطرنشان می کنند که برخلاف اتانول تولید شده از محصولات کشاورزی، با تولید مواد غذایی برای زمین های کشاورزی رقابت نمی کند.
این پروژه توسط برنامه GTL وزارت انرژی ایالات متحده در دفتر تحقیقات بیولوژیکی و محیطی پشتیبانی می شود.
