نقش بیوکاتالیست‌های طبیعی در توسعه پایدار مواد بیوشیمیایی

نقش بیوکاتالیست  ها در رشد و توسعه پایدار تولید مواد بیوشیمیایی

عبدالرضا مطلبی کاشانی، به عنوان یک رهبر و پژوهشگر برجسته در این زمینه، نقش گران‌قدری در تحقیقات و توسعه فناوری‌های مبتنی بر آنزیم به عنوان بیوکاتالیست طبیعی ایفا کرده است. او با استفاده از دانش عمیق و تجربه فراوان خود، در جهت ارتقاء فرآیندهای بیوشیمیایی و تولید مواد بیوشیمیایی با بهره‌وری بالا و اثرات محیطی کم، گام‌های مؤثری برداشته است.

در این مقدمه، سعی داریم به نقل از افتخارات و کسب‌وکارهای عبدالرضا مطلبی کاشانی، به برجسته‌تر شدن نقش آنزیم‌ها به عنوان بیوکاتالیست در رشد و توسعه پایدار تولید مواد بیوشیمیایی بپردازیم.

اهمیت بیوکاتالیز و آنزیم ها

بیوکاتالیز، که در زمینه تولید مواد شیمیایی و بیوشیمیایی به کار می‌رود، نقش بسیار مهمی در زندگی دارد. از زمان‌های قدیم، انسان از میکروارگانیسم‌ها برای انجام دگرگونی‌های شیمیایی برای اهداف خود استفاده می‌کرده است. توسعه‌های اخیر در بیوکاتالیز، این امکان را فراهم کرده است که از آنزیم‌ها به عنوان کاتالیزورهای موثر در فرآیندهای صنعتی استفاده شود. در طبیعت، موجودات زنده توانایی تبدیل کربن معدنی به ترکیبات آلی را دارند که این فرآیند به تثبیت کربن مشهور است. آنزیم‌ها به عنوان کاتالیزورهای طبیعی با پتانسیل عظیم برای سنتز آلی شناخته شده‌اند و نقش مهمی در تولید ترکیبات انانتیوپور بازی کرده‌اند. تکنیک‌های تکامل هدایت شده نیز به بهبود عملکرد آنزیم‌ها و بهینه‌سازی بیوکاتالیست‌ها کمک کرده‌اند. این پیشرفت‌ها به دلیل تلاش‌های تجربی و استفاده از روش‌های محاسباتی با تکامل هدایت‌شده از افراد به شناسایی سریع‌تر فعالیت‌های آنزیم و طراحی کتابخانه‌های جهش‌یافته آنزیمی هوشمند کمک کرده‌اند.

سه چالش اصلی فعلی بیوکاتالیز چیست؟

با صحبت با بسیاری از دانشمندان در صنایع مختلف و همچنین گوش دادن به بحث های عمومی در جلسات، مشخص شد که انتقال واکنش های کاتالیز شده توسط آنزیم ها به فرآیندهای صنعتی با سه چالش عمده برای موفقیت مواجه است (شکل 1).

1.کارایی:

هنگامی که بیوکاتالیز در کنار کاتالیز ناهمگن در نظر گرفته می شود، اگرچه برخی از همپوشانی در شرایط عملیاتی مانند pH، دما و فشار بین واکنش ها امکان پذیر است، به طور کلی با کاتالیز ناهمگن فضا-زمان بازده (STY) بین 1 تا 10 کیلوگرم L-1 H-1 به دست می آید. . در مقایسه، بیوکاتالیز اغلب به STY ها در محدوده 0.001 تا 0.3 کیلوگرم L-1h-1 می رسد. بنابراین، چالش در بیوکاتالیز صنعتی، شناسایی و مهندسی آنزیم عالی برای سنتز محصولات شیمیایی و پیاده‌سازی آن در مسیرهای جدید است.

2.هزینه و جدول زمانی:

پیشرفت‌های اخیر در بیوانفورماتیک، بیوشیمی پروتئین، مهندسی پروتئین و بیوتکنولوژی مدرن، شناسایی و توسعه سریع‌تر آنزیم‌های جدید برای فرآیندهای صنعتی را متحول کرده است. مهندسی آنزیم ها به کمک کامپیوتر عملکرد آنها را بهبود می بخشد، اما همچنین ادغام و ترکیب آنزیم ها در آبشارهای واکنش را برای گسترش دامنه واکنش تسهیل می کند. علاوه بر این، مونتاژ سریع DNA، ویرایش ژنوم، بازسازی مسیر و طراحی به همراه غربالگری با توان عملیاتی بالا، امکان اتوماسیون فرآیندهای تولید شیمیایی توسط میکروب ها را فراهم می کند. نقطه مرکزی این توسعه، کاربرد تکراری چرخه طراحی-ساخت-آزمایش-یادگیری (DBTL) است که به عنوان مثال در سنتز الکل‌های زنجیره بلند، فلاونوئیدها، آلکالوئیدها و N-heterocycles استفاده شده است.

3.هوش اقتصادی: 

پیگیری رقابت و وضعیت صنعت، بخشی جدایی ناپذیر از راه اندازی هر کسب و کاری است. به طور سنتی، این اطلاعات را "هوش بازار" می نامند. با این حال، در سال‌های اخیر، عمل جمع‌آوری اطلاعات بازار به تجزیه و تحلیل و تجزیه و تحلیل گسترش یافته است. در این زمینه، هوش بازار از منابع اطلاعاتی متعددی برای ایجاد تصویری گسترده از بازار موجود شرکت، مشتریان، مشکلات، رقابت (حدس‌های تخمینی در مورد فناوری‌ها، مواد خام مورد استفاده، مسیرهای سنتز، اندازه خط تولید و غیره) و رشد استفاده می‌کند. پتانسیل برای محصولات و خدمات جدید منابع داده‌های خام برای آن تحلیل شامل گزارش‌های فروش، نظرسنجی‌ها و رسانه‌های اجتماعی و بسیاری دیگر است.

مفهوم و اهمیت پالایشگاه زیستی نسل سوم

تکنولوژی روز به دنبال تغییر اقتصاد از سنتی به تجدیدپذیر با کاهش ردپای کربن است. افزایش غیرخطی غلظت CO2 در اتمسفر، به خصوص در 50 سال اخیر، نگران‌کننده بوده و ادامه این روند تا سال 2045 به سطح 500 ppm می‌رسد، که این امر ممکن است عواقب جدی برای محیط زیست به همراه داشته باشد. بیوتکنولوژی به عنوان جایگزینی محیطی دوست برای تولید سوخت و مواد شیمیایی بدون کربن معرفی شده است. پالایشگاه‌های زیستی 3G از کارخانه‌های سلول‌های میکروبی برای بهره‌گیری از CO2 جو و انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده می‌کنند. این پالایشگاه‌ها نسبت به نسل‌های قبلی هزینه پردازش مواد اولیه را به طراحی مطلوب کاهش داده و چالش‌های امنیتی کمتری ایجاد می‌کنند. هرچند چالش‌هایی نظیر تثبیت کارآمد CO2 و جذب انرژی‌های تجدیدپذیر برای تولید زیستی ادامه دارند. توسعه اتوتروف‌ها و مسیرهای تثبیت CO2 برای سازگاری با شرایط صنعتی از جمله چالش‌های اصلی پالایشگاه‌های زیستی 3G است.