كيف تولدالميكروبات طاقاتهاوتستخدمهافى النمو

 أظهر الباحثون أنه من الممكن إثارة تحول في عملية التمثيل الغذائي من التخمير إلى التنفس من E. coli وخميرة الخباز من خلال تحسين ظروف التخمير. هذا التحول يعني أنه يمكن دفع الخلايا لإنتاج المزيد من الطاقة الداخلية (ATP).

“يمكن استخدام هذه المعلومات لتصميم مصانع خلايا جديدة ومحسّنة” ، كما يقول البروفيسور المقابل في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد والمدير العلمي في مركز نوفو نورديسك لمؤسسة الاستدامة الحيوية في جامعة دي تي يو في الدنمارك ، يقول جينس نيلسن.

جنبا إلى جنب مع أول مؤلف Postdoc Yu Chen من قسم البيولوجيا والهندسة البيولوجية في تشالمرز ، درس ينس نيلسن عملية التمثيل الغذائي للإي كولاي وخميرة الخباز من خلال استخدام النماذج الرياضية والتجارب البيولوجية. تم نشر البحث الآن فيوقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ( PNAS ).

الخلايا تولد باستمرار جزيئات عالية الطاقة تسمى ATP من الجلوكوز في السكر. ATP هو “الغذاء” الخلوي الذي يستهلكه العمال – الإنزيمات – داخل الخلايا. تستخدم هذه الإنزيمات هذه الطاقة لبناء الكتلة الحيوية أو القيام بأعمال خلوية أخرى. كلما زاد عدد ATP المتاح ، كان أداء أفضل لخبراء الميكروبات في التخمير ؛ على الأقل من حيث المبدأ – تلعب العديد من الجوانب الأخرى دورًا أيضًا.

باستخدام طريقة حسابية ، اكتشف الباحثون أن ATP يمكن أن يتولد عن طريق أي من المسارين: مسار تنفسي عالي الغلة ينتج عنه 23.5 ATP لكل جزيء جلوكوز أو مسار تخمير منخفض العائد ، يولد فقط 11 جزيء ATP لكل جزيء جلوكوز.

يكمل المساران بعضهما البعض ، لكن الباحثين تمكنوا من تحويل التوازن الطبيعي بين الاثنين عن طريق تغيير ظروف التخمير وكمية السكر والبروتين المتاحة. علاوة على ذلك ، أظهروا أن المسار عالي الغلة يحتاج إلى كتلة بروتينية أكثر من المسار ذي العائد المنخفض لاستهلاك الجلوكوز بنفس المعدل.

كما أظهروا أن عمل بعض الإنزيمات الرئيسية يؤدي بشكل أفضل يعني أن الخلايا قد تحولت من القيام بعملية الأيض التخميرية ذات العائد المنخفض إلى التنفس من خلال عملية الأيض التنفسية عالية الغلة.

ينتج عن هذا التحول كلا من ATP داخل الخلايا ، ولكنه يتجنب أيضًا تراكم المنتجات الثانوية المخمرة ؛ خلات في E. كولايوالإيثانول في خميرة الخباز.

يقول جينس نيلسن: “هذه المنتجات الثانوية غير مرغوب فيها وتقلل من إنتاج الجزيئات المنشودة التي تريد إنتاجها في مصنع الخلوي”.

علاوة على ذلك ، أظهر الباحثون أن الخلايا التي تؤدي أفضل ما لديها تستخدم فعليًا كلا المسارين ، وليس فقط العائد المرتفع ، وأن المزيد من البروتينات المتاحة يعني كفاءة أكبر في مسار معين.

لذلك ، فإن الحل الأفضل للخلايا ذات الأداء الأفضل في التخمير لا يتمثل في إيقاف تشغيل مسار التخمير ، بل تخصيص المزيد من البروتين للمسار ذي العائد المرتفع.

كشف الباحثون فقط الميكروبات لظروف التخمير المختلفة ولم تفعل هندسة الجينوم لاستحضار هذه التغييرات. ولكن في الوقت نفسه ، أعطت دراساتهم مؤشرا على كيف يمكن للمرء تغيير عملية التمثيل الغذائي للخلايا من خلال هندسة الجينوم لتصبح أكثر فعالية في التجارب المستقبلية. 

المصدر :