إنتاج البروتين المعاد تركيبه من حرير العنكبوت MaSp2 باستخدام البكتيريا البحرية الأرجوانية الملتهمة للضوء غير الكبريتية Rhodovulum sulfidophilum تحت ظروف ذاتية التغذية

تحويل ضوء الشمس والمياه المالحة إلى خيوط قوية

تخيل إنتاج "حرير عنكبوت" عالي الأداء دون تربية العناكب، باستخدام الضوء والمياه المالحة وغازات الجو فقط. تستقصي هذه الدراسة كيف يمكن تحويل بكتيريا بحرية إلى مصنع صغير يعمل بالطاقة الشمسية لصنع لبنات بناء حرير العنكبوت بالاعتماد على ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين من الجو. يشير هذا العمل إلى طرق جديدة لإنتاج مواد متقدمة مع اعتماد أقل بكثير على الأراضي الزراعية والمياه العذبة والمكونات المشتقة من الوقود الأحفوري.

عامل صغير من البحر

عمل الباحثون مع ميكروب يدعى Rhodovulum sulfidophilum، وهو بكتيريا أرجوانية تعيش في مياه البحر وتحصد الطاقة من الضوء. على خلاف النباتات، فهي لا تطلق الأكسجين لكنها تؤدي شكلاً من أشكال التمثيل الضوئي. كما يمكنها التقاط غاز النيتروجين من الهواء وتحويله إلى جزيئات غنية بالنيتروجين التي تحتاجها الحياة. وبما أنها تزدهر في المياه المالحة ويمكنها استخدام مواد غير عضوية بسيطة، فإن هذه البكتيريا تشكل منصة واعدة لصنع منتجات مفيدة دون التنافس مع الزراعة على المياه العذبة أو الأراضي الخصبة.

لماذا يثير حرير العنكبوت الاهتمام

لطالما جذب حرير العنكبوت انتباه العلماء والمهندسين لأنه شديد القوة ومرن بشكل ملحوظ في آن واحد. الحرير الساحب الذي تستخدمه العناكب في شباكها مبني من بروتينات خاصة تسمى سبيدروينات. تركز هذه الدراسة على أحد هذه البروتينات، MaSp2. في الطبيعة، تذيب العناكب هذه البروتينات بتركيزات عالية ثم تغزلها إلى ألياف ذات بنية داخلية معقدة. وبما أن تربية العناكب تجارياً صعبة—فهي تميل إلى أكل بعضها البعض—فإن الباحثين عادة ما يلجأون إلى ميكروبات معدلة مثل الخميرة أو بكتيريا المختبر الشائعة لإنتاج بروتينات الحرير. غير أن تلك الأنظمة تعتمد عادة على وسائط غنية بالسكريات والنيتروجين، مما يحد من استدامتها.

بناء ورشة حرير تعمل بالطاقة الشمسية

أعاد الفريق تصميم R. sulfidophilum بحيث تحمل حلقية من الحمض النووي تشفر بروتين الحرير MaSp2. ثم أعدّوا ظروف نمو تُجبر البكتيريا على الاعتماد تقريباً كلياً على مكونات غير عضوية: ثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون، وغاز النيتروجين كمصدر للنيتروجين، ومركب كبريتي مختزل، ثيوسلفات الصوديوم، كمانح للإلكترونات يساعد في دفع تفاعلات شبيهة بالتمثيل الضوئي. في وعاء سعته 10 لترات مملوء بمياه بحر اصطناعية، نفخوا ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين، ضبطوا الأس الهيدروجيني بعناية حتى يذوب ثاني أكسيد الكربون، وضياءوا الثقافة بضوء أحمر بعيد مُعد ليناسب آلية حصاد الضوء لدى البكتيريا. عند إضافة الثيوسلفات ازداد نمو الخلايا بشكل ملحوظ مقارنة بمحاولات سابقة افتقرت إلى هذا المصدر الكبريتي.

قياس النمو وإنتاج الحرير

على مدار عدة أيام راقب الباحثون سرعة تكاثر البكتيريا وكمية الكربون والنيتروجين التي تحوّل من مياه البحر إلى الخلايا. نمت الميكروبات لحوالى أربعة أيام قبل أن تستقر، وأظهرت التحليلات الكيميائية أنها امتصت الكربون والنيتروجين بشكل مستمر. أشارت نسبة هذين العنصرين داخل الخلايا إلى أن النيتروجين كان محدوداً نسبياً، مما يوحي بأن خطوة تثبيت غاز النيتروجين المستهلكة للطاقة كانت تقيد الإنتاجية الإجمالية. ثم فَكّ الفريق الخلايا واستخدم طريقة تنقية تعتمد على ربط المعادن لعزل بروتين MaSp2 المعدّل. رغم أن البكتيريا أنتجت كميات ذائبة من بروتين الحرير بضعة ميكروغرامات لكل لتر—وهي كميات ضئيلة بمعايير صناعية—إلا أن العمل أثبت أن ظروف زراعة قائمة كلياً على مكونات غير عضوية وبمياه البحر يمكن أن تدعم النمو وإنتاج الحرير المؤتلف.

مسارات لتحسين الأداء

بعيداً عن إثبات المفهوم الفوري، يحدد المؤلفون عدة رافعات يمكن أن تعزز الإنتاجية. قد يؤدي تحسين التمثيل الضوئي، مثلاً عن طريق ضبط شدة الضوء أو توازن المغذيات، إلى توليد المزيد من الطاقة اللازمة لتثبيت النيتروجين وتخليق الأحماض الأمينية. كما أن ضبط التحكم الجيني في بروتين الحرير—مثل تشغيل التعبير فقط بعد أن تصل الخلايا إلى كثافة عالية، أو تحسين التسلسل ليتوافق مع آلية الترجمة في البكتيريا—قد يخفف الضغط عن الخلايا ويزيد المردود. قدرة البكتيريا على استخدام مركبات كبريتية مختزلة متنوعة تشير إلى أن تيارات النفايات الصناعية المحتوية على الكبريت قد تُغذي مثل هذه الزراعات مستقبلاً، مما يثبّت حلقة إعادة تدوير الموارد. وفي الوقت نفسه، يشير المؤلفون إلى أن الاستخدام واسع النطاق لبكتيريا بحرية معدلة وراثياً سيتطلب تدابير أمان صارمة لمنع هروبها إلى البيئة.

ماذا يعني هذا للمواد المستقبلية

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أنه من الممكن دفع بكتيريا بحرية لصنع بروتين حرير العنكبوت بينما تعيش تقريباً على الهواء والضوء ومياه البحر ومصدر كبريتي غير عضوي. العوائد الحالية منخفضة، لكن المسار الأساسي يعمل، وحدد المؤلفون خطوات واضحة لجعل العملية أكثر كفاءة. إذا تحسنت، قد يوفر هذا النوع من نظم الإنتاج العاملة بالطاقة الشمسية والمبنية على مياه البحر وسيلة لصنع مواد بروتينية قوية ومرنة ببصمة بيئية أصغر بكثير، ما يساعد على فك الارتباط بين المواد المتقدمة والزراعة التقليدية والموارد الحفرية.

الاستشهاد: Suzuki, M., Numata, K. Production of the recombinant spider silk MaSp2 protein using the marine purple photosynthetic nonsulfur bacterium Rhodovulum sulfidophilum under autotrophic conditions. NPG Asia Mater 18, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00638-7

الكلمات المفتاحية: حرير العنكبوت, بكتيريا ضوئية, التصنيع الحيوي المستدام, الزراعة بمياه البحر, البروتينات المعاد تركيبها