التآزر الحيوي الفوتوكاتيليتي يمكّن من تحويل CH4 وCO2 إلى الهيدروجين و4-هيدروكسي بنزوات في بكتيريا ميثانوتروفية مهندسة وراثياً

الملخص: جذب تحويل موارد السلسلة الكربونية ذات ذرة الكربون الواحدة (C1) اللامركزية إلى منتجات ذات قيمة مضافة اهتمامًا كبيرًا، نظرًا لفوائدها المزدوجة في استرداد الموارد والتقليل من انبعاثات الكربون. لمواجهة تحدي التحويل المشترك للميثان (CH4) وثاني أكسيد الكربون (CO2)، طورنا نظامًا حيويًّا هجينًا يعمل بالطاقة الشمسية يدمج بشكل تآزري بين التخليق الحيوي والتحفيز الضوئي. يعتمد جوهر هذا النظام على مصنع خلايا ميثانوتروفية معدلة وراثيًا ومجمعات معدنية فوتوكاتيليتيّة جديدة متوافقة حيويًا. تستخدم البكتيريا الميثانوتروفية CH4 كمواد أولية أساسية لتخليق 4-هيدروكسي بنزوات (4HBA) مع تحقيق حجز CO2. وفي الوقت نفسه، تلتقط المجمعات المعدنية الفوتوكاتيليتيّة فورمات (منتج ناتج أيضي للخلايا) لتوليد الهيدروجين (H2) والفوتوالكترونات—حيث توفر الأخيرة مباشرة طاقة اختزالية لدعم الأنشطة الخلوية في الخلايا المعدلة وراثيًا. تحت الظروف المثلى، حقق هذا النظام المشغل بالطاقة الشمسية تركيز 4HBA بمقدار 472.36 ميكروغرام/لتر، وعائد هيدروجين بمقدار 0.59 مليمول H2/مول CH4، وتخفيض يزيد على 50% في انبعاثات الكربون. لا يقتصر هذا البحث على إنشاء استراتيجية تصنيع حيوي قابلة للتطبيق لإعادة استخدام مصادر C1 الغازية، بل يبرز أيضاً إمكانات دمج التقنيات البيولوجية والكيميائية الضوئية لتطوير حلول مستدامة للطاقة والبيئة.