דלק מימני מחיידקים

למימן המולקולרי, H₂, כמקור לאנרגיה יש שני יתרונות חשובים. האחד: זהו דלק שאינו מזהם את הסביבה לאחר השימוש בו - תוצר הפליטה שלו הוא מים בלבד:

2H₂+O₂ → 2H₂O

משום כך הוא עדיף על דלקים מזהמים. נוסף על כך, בהשוואה לדלק רגיל (פחמימני, שמקורו נפט), תפוקת האנרגיה לק"ג דלק היא למעלה מפי שלושה (142 מגה-ג'אול לק"ג מימן מולקולרי לעומת 42 מגה-ג'אול לק"ג דלק פחמימני).

כאשר חיידקים (ויצורים אחרים) מנצלים אנרגיה כימית (שמקורה בחד-סוכרים, למשל) בתנאים אווירניים, התוצרים הסופיים הם לרוב פחמן דו-חמצני (CO₂) ומים, וכ-30 מולקולות טעונות אנרגיה כימית זמינה (ATP) על כל מולקולת חד-סוכר:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂+6H₂O

ואולם, בתנאים אל-אווירניים מתרחש רק פירוק ראשוני מאוד של הסוכר, בתהליך של גליקוליזה (או בתהליכים מקבילים), המוביל ליצירה של שתי מולקולות חומצה פירובית ורק שתי מולקולות ATP לכל מולקולת חד-סוכר. בתנאים אלה החומצה הפירובית משמשת כחומר גלם לתהליכי תסיסה, ותוצרי התסיסה, שהם עדיין מולקולות המכילות אנרגיה, מופרשים לסביבה. בתהליכי התסיסה שבחיידקי המעיים, אחד התוצרים, המופרשים בכמויות קטנות יחסית, הוא המימן המולקולרי.

במערכת העיכול של מרבית היונקים, רוב המימן "נצרך" על-ידי חיידקים מֶתָאנוֹגֶנים, היוצרים ממנו מתאן (שעל תרומתו לגז החממה כתבנו במדור "החיים הקטן", "גליליאו" 107). לעתים, בתנאים של עודף בגפרית, צורכים את המימן חיידקי
גפרית המייצרים H₂S.

כאשר עולה בצורה משמעותית כמות המימן המיוצר, העודפים נפלטים ממערכת העיכול אל חלל הפה ויוצאים מהגוף ביחד עם הגזים של הנשימה. כמות המימן המולקולרי הנפלטת תלויה גם בחומרי המוצא הזמינים לחיידקים: למשל, תסיסה חיידקית של לקטוז במעי הגס (תופעה המתרחשת בעיקר באנשים חסרי האנזים לקטַאז - בבעלי לקטאז הלקטוז מפורק למרכיביו החד-סוכריים עוד במעי הדק) גורמת לעלייה ברמת הפליטה של המימן - תסמין המאפשר לזהות את החסר באנזים.

גם בתנאים אווירניים (בתנאי מבחנה), חיידקי המעיים מייצרים מימן מולקולרי אך בכמויות קטנות יחסית לכמויות המיוצרות בתנאים האל-אווירניים. מימן מיוצר כתוצר לוואי גם בחיידקים פוטוסינתטיים, אך בכמות קטנה יחסית לכמות הנוצרת בחיידקים המתסיסים.

והנה, קבוצת חוקרים מאוניברסיטת טקסס, בראשותו של תומס ווד (Wood), החליטו לנסות לרתום את חיידק המעיים המוכר Escherichia coli (על החיידק ראו במדור "החיים בקטן" בגיליון זה) כדי ליצור מימן כמקור אנרגיה. הם בחרו בחיידק זה עקב המידע הרב הקיים עליו (הרצף הגנטי שלו מוכר כולו) והקלות היחסית שבה אפשר "להנדס" אותו.

בתנאי גידול אווירניים (תנאי גידול אל-אווירניים אינם נוחים בעבודה תעשייתית), E. coli יכול לייצר מימן מחומצה פורמית (HCOOH) על-ידי כמה אנזימים, הפועלים במסלולים מטבוליים שונים:

HCOOH +H₂O → H₂ + H₂CO₃

החומצה הפורמית נצרכת עוד בכמה מסלולים מטבוליים אחרים, שאינם מובילים ליצירת מימן. חלק מהמימן נצרך במסלולים מטבוליים אחרים ולכן יורדת הכמות המופרשת מהחיידקים.

החוקרים הצליחו ליצור זן "מהונדס" של E. coli, שבו הושתקו גנים אחדים הקשורים בהפיכת חומצה פורמית לתוצרים שאינם מימן, הוגברה הכמות של תוצרי גנים הקשורים בייצור מימן (על-ידי שיתוק גן המייצר דכאן במערכת), וכן שותקו גנים שתוצריהם ממירים את המימן לתוצרים אחרים.

כך נוצר זן של E. coli המייצר פי 140 מימן מולקולרי מזן הבר באותם תנאי גידול (במצע המכיל חומצה פורמית כמקור פחמן). עם זאת, חשוב לציין שזוהי רק תחילת הדרך. חומצה פורמית אינה נוחה ואינה זמינה לשימוש בתעשייה, וייצור המימן כאשר החיידק משתמש במקור פחמן "קונוונציונלי" יותר, כמו סוכר, הוא רק 150% (פי 1.5) יחסית לזן הבר.

לקריאה נוספת:

המאמר המקורי:

Toshinari Maeda, Viviana Sanchez-Torres, Thomas K. Wood (2008),
Metabolic engineering to enhance bacterial hydrogen production, Microbial Biotechnology 1 (1), 30-3.

פורסם במקור ב"גליליאו" גיליון 118, עמ' 18, יוני 2008.