Neeka Mashouf, Leila Mashouf

من المتوقع أن يتضاعف الطلب العالمي على المواد الكيميائية والمواد أربع مرات بحلول عام 2050، مما يضغط على أنظمة الإنتاج كثيفة الاستهلاك للطاقة والموارد. ستتطلب تلبية هذا الطلب أكثر من مجرد كفاءات تدريجية: فهي تدعو إلى إعادة ابتكار أساسية لكيفية إنتاج المواد الأساسية لضمان المرونة وقابلية التوسع والوفرة على المدى الطويل.

ندخل إلى التكنولوجيا الأنزيمية، وهو نهج للتصنيع الحيوي يستفيد من الإنزيمات، المهندسين المعماريين الجزيئيين للطبيعة، لإعادة تصور كيفية إنتاج كل شيء من المواد الكيميائية إلى المنسوجات. الإنزيمات، التي تنتجها الخلايا الحية، هي محفزات بيولوجية تسرع التفاعلات الكيميائية دون أن تتغير بفعل التفاعل نفسه.

في حين أن الإنزيمات تستخدم منذ فترة طويلة في تجهيز الأغذية والمستحضرات الصيدلانية، فإن التطبيقات الحديثة الرائدة تحولها إلى العمود الفقري للتصنيع من الجيل التالي.

كيف يمكن للتكنولوجيا الأنزيمية إعادة تصور التصنيع

فيما يلي خمس طرق يقدم بها التصنيع القائم على الإنزيمات فرصة لإعادة تصور الإنتاج الصناعي، مما يؤدي في النهاية إلى فصل النمو الاقتصادي عن التدهور البيئي.

1. مكاسب كبيرة في كفاءة الطاقة

تتضح الجاذبية الاقتصادية للعمليات الأنزيمية عند النظر إلى كفاءة الطاقة. لطالما اعتُبر التحفيز الكيميائي هو المسار الرئيسي للإنتاج المستدام والفعال؛ ومع ذلك، يمكن للإنزيمات المتخصصة أن تقلل بشكل كبير من متطلبات الطاقة وتمكن أيضًا التشغيل في ظل ظروف معتدلة. لقد ثبت أن استهلاك المواد والطاقة ينخفض مع التكنولوجيا الأنزيمية، وتفيد الصناعات التي تتبنى مناهج أنزيمية عن تخفيضات كبيرة في كل من التكاليف التشغيلية والتأثير البيئي.

لقد تم إثبات هذه الثورة في التصنيع الأنزيمي على نطاق واسع في إنتاج الوقود الحيوي، حيث أدت كل من الليباز الحر والليباز المثبت إلى تقليل استهلاك الطاقة في العملية بسبب ظروف التفاعل الأكثر اعتدالًا.

وبالمثل، خذ على سبيل المثال منصات تحويل الكربون إلى مواد التي تستفيد من التحفيز الحيوي الخالي من الخلايا. على عكس عمليات التخمير التي تتطلب ظروفًا كثيفة الاستهلاك للطاقة للحفاظ على الكائنات الحية، تعمل هذه المناهج الأنزيمية في ظل ظروف معتدلة مع تقديم إنتاجية فائقة.

حتى الآن، أبلغت منصات تحويل الكربون إلى مواد المتقدمة مثل تلك التي تقدمها شركتنا، روبي لابوراتوريز، عن متطلبات طاقة أقل بما يصل إلى 10 مرات مقارنة بالطرق التقليدية لإنتاج المنتجات الأساسية مثل السليلوز والمواد الكيميائية الأولية.

2. تحسينات غير مسبوقة في الإنتاجية

غالبًا ما يولد التصنيع التقليدي نفايات كبيرة. على سبيل المثال، غالبًا ما تنتج عمليات التخمير أكثر من 70٪ من النفايات الثانوية بسبب قيود سمية الخلايا ونفايات الكتلة الحيوية للخلايا.

تقلب الأنظمة الأنزيمية هذه المعادلة، وتحول نسبة أعلى بكثير من المدخلات إلى المنتج المطلوب مع الحد الأدنى من توليد النفايات. يمكن للأنظمة المتقدمة تحقيق عوائد تحويل تقارب 100٪، وغالبًا ما تزيد عن 90٪، وهي أعلى بشكل كبير من العوائد التقريبية البالغة 30٪ النموذجية للعمليات القائمة على التخمير.

لقد ثبت أن الأنظمة الأنزيمية تطابق أو تتفوق على عوائد الأنظمة الكيميائية المحسنة أيضًا، مثل عملية اختراق لتسعة إنزيمات لإنتاج الأدوية المتخصصة والتي ضاعفت العوائد تقريبًا مقارنة بالعملية الكيميائية الأصلية. تتيح العوائد الأعلى هوامش أفضل وتجعل الإنتاج المستدام منافسًا اقتصاديًا للبدائل كثيفة الاستهلاك للموارد.

تتأثر الآثار بسلاسل التوريد بأكملها. تعني العوائد الأعلى تقليل متطلبات المواد الخام “المرتبطة غالبًا باستخراج الموارد أو إزالة الغابات”، وتقليل دورات الإنتاج وتقليل النفايات.

3. التوسع إلى ما وراء تطبيقات التحلل التقليدية

تاريخيًا، كانت الإنزيمات تستخدم في المقام الأول لتحليل المواد الطبيعية الموجودة، من السكريات المشتقة من النباتات إلى معالجة النفايات. تعالج تطبيقات الإنزيمات اليوم تدفقات النفايات التي كانت مستعصية سابقًا، مثل المواد البلاستيكية.

تعد إنزيمات PETase مثالًا رئيسيًا، حيث يمكنها بشكل فريد تمكين التحلل السريع لبلاستيك بولي إيثيلين تيريفثاليت “PET”، والذي يستخدم على نطاق واسع في تغليف المواد الغذائية والمشروبات. في حين أن التحلل البيولوجي لمادة PET بالوسائل الطبيعية يستغرق مئات إلى آلاف السنين، يمكن لـ PETases تحليلها في غضون أيام.

تظهر التطورات الحديثة المزيد من الأمل، حيث تم التحلل شبه الكامل لمادة PET غير المعالجة بعد الاستهلاك من 51 منتجًا مختلفًا بواسطة إنزيم FAST-PETase الجديد في أسبوع واحد فقط، مما يشير إلى إمكانية التطبيق في العالم الحقيقي خارج ظروف المختبر.

لقد شكل تطبيق وتوسيع نطاق هذه الإنزيمات تحديات بسبب معدلات التفاعل البطيئة نسبيًا ومشكلات الوصول إلى الركيزة، لكن الجهود العلمية العالمية تعمل على التغلب على هذه القيود.

4. بناء مواد معقدة من مصادر الكربون البسيطة

ربما يكمن التطبيق الأكثر ثورية في استخدام الإنزيمات لتكوين منتجات معقدة من لبنات بناء الكربون الأساسية. يمثل هذا تحولًا نموذجيًا من التصنيع القائم على الاستخراج إلى الإنتاج القائم على التجميع من تيارات النفايات.

يمكن للشلالات الأنزيمية المتقدمة الخالية من الخلايا تحويل ثاني أكسيد الكربون “CO2″، وهو منتج نفايات وفير، إلى مواد جديدة عالية الجودة من خلال تسلسل مصمم بعناية من الإنزيمات التي تعمل مثل خطوط التجميع الجزيئية. تخلق هذه العمليات منتجات نقية تتطابق مع معايير الصناعة الحالية، بينما تعمل بدون ظروف معالجة قاسية أو خلايا حية غير فعالة.

يوفر هذا النهج التصنيعي من القاعدة إلى القمة أيضًا تحكمًا غير مسبوق في خصائص المواد. على عكس التصنيع التقليدي الذي يجب أن يعمل في حدود قيود المواد الطبيعية الموجودة، يسمح التخليق الأنزيمي بتصميم المواد الكيميائية والمواد بخصائص فائقة للتطبيقات المستهدفة.

تقود شركات مثل روبي لابوراتوريز هذه الحدود الناشئة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد في التصنيع الأنزيمي. الآثار الاقتصادية عميقة.. من خلال تحويل نفايات الكربون إلى مواد قيمة، يمكن لهذا النهج أن يتيح الوفرة المستقلة عن التصنيع القائم على الاستخراج من خلال أنظمة التصنيع التكافلية.

5. ابتكار الإنزيمات المدعوم بالذكاء الاصطناعي

يعمل الذكاء الاصطناعي على تسريع تطوير الإنزيمات بوتيرة غير مسبوقة، وحل التحديات التي كانت ستستغرق عقودًا من خلال الطرق التقليدية. يمكن للذكاء الاصطناعي أن يحسن بشكل كبير من دقة تصميم البروتين، مما يتيح إنشاء إنزيمات بقدرات كانت مستحيلة في السابق.

توضح الاختراقات الحديثة الإمكانات التحويلية للذكاء الاصطناعي في مجال الإنزيمات. ابتكر العلماء نظام ذكاء اصطناعي قادر على توليد إنزيمات اصطناعية من الصفر. في الاختبارات المعملية، كان أداء بعض هذه الإنزيمات جيدًا مثل تلك الموجودة في الطبيعة، حتى عندما اختلفت تسلسلات الأحماض الأمينية المولدة صناعيًا بشكل كبير عن تلك الموجودة في أي بروتين طبيعي معروف. أظهر أول بروتين اصطناعي وظيفي، تم تصميمه بالكامل بواسطة الذكاء الاصطناعي، نشاطًا مشابهًا لنشاط الإنزيمات الطبيعية، على الرغم من أن لديه هوية بنسبة 69٪ فقط لأي بروتين طبيعي معروف.

أدى النهج الموجه بالتعلم الآلي إلى الحصول على الأمثل العالمي ضعف عدد المرات، مع انخفاض بنسبة 30٪ في عدد المتغيرات التي تم اختبارها مقارنةً بنهج التطور الموجه القياسي. هذا التسارع لديه القدرة على إطلاق العنان لمناطق جديدة تمامًا من فضاء إمكانية الإنزيمات التي لم يستكشفها التطور الطبيعي أبدًا.

توفر التطورات الحديثة في الذكاء الاصطناعي فرصًا جديدة لتسريع التحسينات في أداء الإنزيمات من خلال تمكين رؤى أعمق في التسلسل والبنية والوظيفة. يتم الآن إعادة استخدام النماذج القائمة على المحولات، والتي تم إنشاؤها في الأصل لمعالجة اللغة البشرية، لتفسير مجموعات بيانات تسلسل البروتين الواسعة بنجاح ملحوظ.

لا تساعد هذه الأدوات في تحديد الطفرات المفيدة المحتملة فحسب، بل تتيح أيضًا تصميم متغيرات إنزيمية مع تغييرات منسقة متعددة، مما يفتح الباب أمام وظائف جديدة أكثر دراماتيكية من تلك التي يتم تحقيقها عادةً من خلال النهج التدريجي للتطور الموجه التقليدي. تبلغ الشركات التي تستفيد من هندسة الإنزيمات بالذكاء الاصطناعي الداخلية عن نتائج رائدة في الصناعة بأقل قدر من الاستثمار، مما يخلق تأثيرات مضاعفة لا يمكن للأساليب التقليدية مطابقتها.

إن التقاء تصميم الإنزيمات المدفوع بالذكاء الاصطناعي، والتطبيقات الجديدة في معالجة مجاري النفايات، ونهج التخليق القائم على ثاني أكسيد الكربون يخلق حدودًا جديدة تمامًا للتصنيع المستدام والموفر للطاقة.

مع وصول هذه الاختراقات إلى المقاييس الصناعية التي أثبتتها التقنيات الأنزيمية المبكرة المنتشرة الآن في كل مكان، فإننا نشهد ظهور سلاسل توريد تقربنا من الوفرة والازدهار للناس والكوكب.

إعداد: وحدة الترجمات بمركز سمت للدراسات
المصدر: World Economic Forum