דרווין מתניע

פרופ' אילת פישמן מהטכניון: אבולוציה מכוונת ככלי לשיפור משמעותי בייצור דלק ביולוג

טכנולוגיה חדשה, המבוססת על אבולוציה מכוונת של אנזים טבעי, צפויה להאיץ ולייעל את ייצורם של דלקים מבוססי פסולת. את המחקר שהתפרסם ב-ChemCatChem הובילו פרופ' אילת פישמן והדוקטורנט שלו גיחז מהפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון.

האבולוציה, כפי שלמדנו מדרווין, פועלת על סמך מנגנון כפול של מוטציה וברירה טבעית. מוטציות הן תופעה אקראית המתרחשת באופן ספונטני בכל אורגניזם, ורובן חסרות משמעות עבורו. אולם לעתים, המוטציה מקנה לאורגניזם יתרון הישרדותי כלשהו, שיעבור בתורשה לצאצאיו, שיעבירו את המוטציה הלאה והיא תתקבע בגנום. זו הברירה הטבעית.

פרופ' אילת פישמן, ראש המעבדה לביוקטליזה מולקולרית ויישומית, מפתחת שיטות ליצירת תגובות כימיות רצויות באמצעות אנזימים – מולקולות טבעיות שהתפתחו במיליארדי שנות אבולוציה. האנזימים עובדים היטב בסביבה הטבעית, ולכן יש להם יתרון על זרזים כימיים מלאכותיים המצריכים תנאים מיוחדים כגון טמפרטורות גבוהות ולחץ חזק. פרופ' פרנסס ארנולד, שביקרה בטכניון לאחרונה, זכתה בפרס נובל בכימיה לשנת 2018 בדיוק בתחום הזה של אבולוציה מכוונת.

"למעשה אנחנו מחקים, או ממשיכים, את התהליך האבולוציוני," מסבירה פרופ' פישמן, "אבל עושים זאת באופן שמייעל את הפקת התוצרים הרצויים לנו – חומרי מזון, חומרי ניקוי וכו'. זאת באמצעות עידוד של מוטציות אקראיות וברירה לא טבעית שלהן, ברירה מבוקרת."

חוקרי המעבדה מאיצים בשיטות מולקולריות את התפתחותן של מוטציות, יוצרים ספרייה של מאות אלפי מוטנטים ומתוכה בוחרים את המוטנטים המשופרים – משופרים מנקודת הראות של התפקוד שאנחנו מחפשים, למשל פירוק שומנים אם מדובר בחומרי כביסה. "על התהליך הזה של עידוד מוטציות, יצירת ספריות וברירה מבוקרת אנחנו חוזרים שוב ושוב עד שמקבלים את האנזים המתאים לתפקיד הרצוי."

המאמר הנוכחי מציג טכנולוגיה חדשנית לייצור ביודיזל – דלק המיוצר מפסולת שמן, כלומר משיירי-שמן מדוכני פלאפל, ממפעלים וכו'. חשיבותו של הביודיזל בכך שהוא תופס את מקום של דלקים מבוססי מחצבים (בנזין למשל), שמקורותיהם הולכים ואוזלים וכרייתם פוגעת קשות בסביבה.

ביודיזל מופק כיום על ידי דחיסת מתנול ושמן באמצעות זרזים כימיים, המחייבים כאמור תנאי ייצור מיוחדים ויקרים. כאן, לעומת זאת, מציעים החוקרים לייצר את הביודיזל באמצעות אנזים טבעי: ליפאז (lipase). אנזים זה, המיוצר בלבלב, מפרק שומנים בדם וחיוני לפעילות תקינה של הגוף ולהתמודדות עם מצבי רפואיים כגון מחלות לבלב, אי ספיקת כליות ודלקות בכיס המרה.

הבעיה היא שליפאז אינו יציב בסביבות לא מימיות כגון מתנול, החיוני להפקת ביודיזל. לכן התמקדה קבוצת המחקר בשיפור של יציבות האנזים בריכוזי מתנול גבוהים. זאת באמצעות אותה גישה של אבולוציה מכוונת. "עודדנו היווצרות מוטציות של ליפאז, ואותן חשפנו למתנול במשך חצי שעה. 'המולקולות השורדות' עלו לשלב הבא, לסבב נוסף של מוטציות וברירה מבוקרת, עד שהתקבל אנזים שעמידותו למתנול גבוהה פי 100 מזו של האנזים המקורי."

פרופ' פישמן מבהירה שאין מדובר באבולוציה מכוונת בלבד, אלא גם בפעולות הנדסיות המושתתות על ניתוח מבנה האנזים במאיץ חלקיקים, על זיהוי המאפיינים המקנים לו עמידות לאתנול ועל שיפור תהליך הייצור באמצעות חומצה אמינית בשם ציסטאין.

לסיכום, באמצעות אבולוציה מכוונת וייצוב נוסף של האנזים באמצעים כימיים, הושגה עמידות חסרת תקדים – הליפאז המשופר יציב בנוזל המכיל 70% מתנול. החוקרים מעריכים כי הישג זה סולל את הדרך להרחבת ייצורו של הביודיזל ולקידום השימוש בו.

המחקר נערך בתמיכת מכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה (RBNI).

למחקר:

http://bit.ly/37fTADy

פרופ' אילת פישמן היא דיקנית הסטודנטים בטכניון. יש לה תואר ראשון (בהצטיינות), שני ושלישי מהפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון. ב-2005, אחרי פוסט-דוקטורט באוניברסיטת קונטיקט ועבודה ממושכת במכון תמי אימי, היא חזרה לפקולטה כחברת סגל. מאז היא עומדת בראש המעבדה לביוקטליזה מולקולרית ויישומית.

פרופ' פישמן זכתה בפרסים רבים ובהם פרסי גוטווירט ויולודן למצוינות במחקר ובפרסי הצטיינות בהוראה ובהם פרס ינאי למצוינות בחינוך האקדמי.  לאחרונה התמנתה לתפקיד דיקנית הסטודנטים, שבמסגרתו היא אחראית על מכלול הסיוע לסטודנטים במהלך לימודיהם – במלגות ובהלוואות, במעונות ובחונכות, בייעוץ פסיכולוגי, בסיוע למשרתי המילואים ובהעשרת חיי הקמפוס בפעילויות חברה ותרבות.