تحسين الاستقرار وإمكانية إعادة استخدام لاكاز المستخرجة من الميتاجينوم عبر التثبيت على سيليكا مسامية وظيفية لإزالة ملوثات المضادات الحيوية

لماذا تهم الأدوية المتبقية في الماء

تُستخدم المضادات الحيوية مثل التتراسايكلين والدوكسيسيكلين على نطاق واسع في المستشفيات والعيادات ومزارع الثروة الحيوانية. جزء كبير من كل جرعة يترك الجسم دون تغيير وينتهي به المطاف في مياه الصرف والأنهار والتربة، حيث يمكن أن يضر بالكائنات الدقيقة المفيدة ويشجع بروز بكتيريا مقاومة للأدوية. تستكشف هذه الدراسة مادة جديدة معتمدة على الإنزيم مصممة لإزالة هذه المضادات الحيوية العنيدة من الماء بكفاءة أكبر وبطريقة قابلة لإعادة الاستخدام مرات عديدة، مما يشير إلى أنظمة معالجة أنظف وأكثر استدامة.

مُنظف طبيعي يحصل على مساعدة

اللاكازات هي إنزيمات تنتجها الميكروبات والفطريات وتعمل كآلات أكسدة دقيقة، قادرة على تفكيك العديد من المركبات المعقدة. ومع ذلك، تكون جزيئات اللاكاز بمفردها في الماء هشة: تفقد نشاطها عند درجات حرارة مرتفعة، ويصعب استردادها بعد الاستخدام، وقد تُغسل ببساطة. عمل الباحثون مع لاكاز متينة على نحو خاص، أُطلق عليها اسم PersiLac1، اكتُشفت من مسوحات الحمض النووي البيئي (الميتاجينوم) بدلاً من كائن واحد مُزرَع. كان هدفهم تثبيت هذا الإنزيم بقوة على حامل صلب ليصبح أسهل في التعامل، وأكثر ديمومة، وأكثر ملاءمة لتنظيف تلوث المضادات الحيوية.

بناء هيكل مسامي للإنزيم

لاستضافة اللاكاز، اختار الفريق SBA‑15، نوع من السيليكا يحتوي على شبكة منتظمة من القنوات الدقيقة ومساحة داخلية سطحية كبيرة للغاية، تشبه الإسفنج على مقياس النانو. في البداية زينوا سطح هذه المادة بمجموعات الإيميدازول — «خطافات» عضوية صغيرة تساعد على تكوين روابط قوية مع البروتينات — فأنشأوا ناقلاً وظيفيًا يُدعى Im@SBA‑15. عندما خُلطت PersiLac1 مع هذه السيليكا المعدلة، ارتبط الإنزيم تساهميًا، مكوّنًا مادة هجينة جديدة أُشير إليها باسم LAC@Im@SBA‑15. أكدت اختبارات المجهر والطيفية أن البنية الأساسية لمسام SBA‑15 بقيت محفوظة بينما أُدخلت المجموعات العضوية والإنزيم بنجاح.

أداء أقوى في ظروف قاسية

تصرف اللاكاز المثبّت بشكل مختلف عن الإنزيم الحر في المحلول. عمل كلاهما بأفضل شكل حول 50 °C ودرجة حموضة 6، لكن الشكل المثبت احتفظ بنشاط أكبر عند درجات حرارة أعلى وعبر نطاق أوسع من الأس الهيدروجيني. أظهرت اختبارات خسارة الإنزيم، المعروفة بالنزح، أن حوالي 10% فقط من PersiLac1 غُسلت بعد عدة ساعات في درجة حرارة الغرفة، وحوالي 22% بعد التسخين إلى 80 °C، مما يدل على ارتباط محكم بالحامل. عند التحدي بالتتراسايكلين والدوكسيسيكلين، أزال الشكل المثبت قدرًا أكبر بكثير من المضاد الحيوي خلال 24 ساعة مقارنة بالإنزيم الحر — حوالي 54% من التتراسايكلين و77% من الدوكسيسيكلين عند تركيز 350 mg/L، مستويات نموذجية لمجاري الصرف شديدة التلوث.

التعامل مع تلوث أعلى وإمكانية إعادة الاستخدام

قد تحتوي مياه الصرف في العالم الواقعي على مستويات مضادات حيوية أعلى بكثير من اختبارات المختبر القياسية. لذلك زاد الفريق التركيز الابتدائي إلى 200–300 mg/L. بينما واجهت اللاكاز الحُرة صعوبة مع ارتفاع التركيزات، حافظ الإنزيم المثبت أو حتى حسّن كفاءة الإزالة، حيث وصل إلى نحو 44% لكلا المضادين عند 200 mg/L وأظهر أداءً أفضل من الشكل الحر عند أعلى المستويات المختبرة. ومهما كان الأهم، يمكن جمع المادة الهجينة وغسلها واستخدامها مرة أخرى. على مدى عشرة دورات معالجة عند مستويات أقل من المضاد الحيوي (25 mg/L)، احتفظت بأكثر من 83% من نشاطها الابتدائي للدوكسيسيكلين و73% للتتراسايكلين، مما يوحي بأن مثل هذا النظام يمكن أن يعمل مرات متكررة دون استبدال دائم للإنزيم.

وعد وخطوات تالية لمياه أنظف

بعبارات بسيطة، بنى الباحثون «مرشحًا إنزيميًا» قابلًا لإعادة الاستخدام أكثر استقرارًا وفعالية من نفس الإنزيم العائم في الماء. عن طريق تثبيت لاكاز قوية مستمدة من الميتاجينوم على حامل معدني مسامي مصمم بعناية، حققوا إزالة قوية لمادتين مستخدمتين على نطاق واسع من المضادات الحيوية، حتى عند تركيزات عالية وعلى مدى دورات استخدام متعددة. نُفذ العمل في محاليل اختبار مبسطة، لذا التحدي التالي هو اختبار مدى أداء هذه المادة في مياه الصرف الحقيقية، حيث توجد مواد أخرى كثيرة ويجب أيضًا فحص نواتج التفكك من حيث السلامة. ومع ذلك، تمثل هذه المنصة الهجينة من الإنزيم والسيليكا خطوة واعدة نحو تقنيات أكثر خضرة للحفاظ على أنظمتنا المائية خالية من الملوثات الدوائية المتبقية.

الاستشهاد: Ariaeenejad, S., Abedanzadeh, S. Enhanced stability and reusability of metagenomic laccase via immobilization on functionalized mesoporous silica for antibiotic contaminant removal. Sci Rep 16, 9933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40065-w

الكلمات المفتاحية: تلوث المضادات الحيوية, تثبيت الإنزيم, لاكاز, معالجة مياه الصرف, سيليكا مسامية