بروتين الميثان أحادي الخلية - هل العالم جاهز لهذا الابتكار في أنظمة الغذاء؟

في ضوء قمة الأمم المتحدة لنظم الغذاء اليوم ، والذي يهدف إلى تحقيق أنظمة غذائية أكثر صحة واستدامة وإنصافًا ، هناك الآن حاجة ملحة لبناء تقنيات مبتكرة لإنتاج الغذاء إذا كانت البشرية تعتزم تحقيق أنظمة غذائية أكثر مرونة. تحدثنا مع الدكتور جيمي هينكس ، الباحث الرئيسي في مركز سنغافورة لهندسة علوم الحياة البيئية (SCELSE) ، حول بحثه الحالي باستخدام أنظمة بيولوجية عالية الضغط لإنتاج بروتين أحادي الخلية عالي الجودة من الميثان.

دكتور هينكس ، كيف تشرح بحثك عن الطعام المصنوع من الميثان إلى شخص غير متخصص؟

أفضل طريقة لبدء فهم هذه التقنية هي النظر إلى الطعام والوقود على أنهما قابلين للتبادل إلى حد ما. الوقود هو مادة تحتوي على طاقة يمكن استخدامها للقيام بعمل مفيد ، سواء كان ذلك في آلة أو في كائن حي. إن الوقود الذي يستهلكه الإنسان ، والذي نسميه الغذاء ، هو من أصل بيولوجي ، وبتعابير مبسطة ، يتكون من كتلة حيوية نباتية أو حيوانية. تتراكم هذه الكتلة الحيوية عندما تتغذى الكائنات الحية وتنمو. بعض من هذا لذيذ جدا ، مثل الفطر على سبيل المثال.

الآن ، من وجهة نظر الميكروب ، فإن أي شيء يحتوي على الطاقة هو مصدر محتمل للغذاء. تستهلك الكائنات الحية أحادية الخلية مجموعة من مصادر الطاقة بما في ذلك تلك التي ليست من أصل بيولوجي والتي قد تبدو غير عادية بالنسبة للإنسان. على سبيل المثال ، يمكن أن تأكل الميكروبات المعادن ونفايات المواد الكيميائية مثل المذيبات. في حالة الغذاء من الميثان ، يستخدم الميثان لتغذية البكتيريا. يمكن إنتاج الميثان بيولوجيًا أو عن طريق العمليات الجيولوجية. لذلك ، تتخصص بعض البكتيريا في استهلاك الميثان ، ومع نموها ، تصبح كتلتها الحيوية مصدرًا جيدًا للبروتين الصالح للأكل. تسمى هذه البكتيريا الميثانوتروف والتي تعني "أكلة الميثان".

تسمى العملية العلمية المحددة أكسدة الميثان بواسطة بكتيريا ميثانوتروفيك. يحدث Methanotrophy بشكل طبيعي في البيئات التي يوجد فيها الميثان ، مثل حقول الأرز أو تسرب الهيدروكربون. تسمح زراعة الميثانوتروف في ظروف غنية بالميثان في مفاعل حيوي باستغلال العملية لتوليد البروتين. يمكن أن يكون الميثان منتجًا ثانويًا لمعالجة مياه الصرف أو إنتاج البترول. العملية التي أقوم بالبحث عنها حاليًا والتي سأقوم بتطويرها ستطبق ضغطًا مرتفعًا لزيادة قابلية ذوبان الميثان ، ومن ثم ستجعل من الأسهل والأكثر كفاءة زراعة الميثانوتروف مع بصمة أصغر.

لماذا من المهم بشكل خاص التحقيق في هذه العملية اليوم؟ في حالتك ، هل يمكنك إعطاء فكرة عن سبب كونها مثيرة للاهتمام لبلدان مثل سنغافورة؟

حسنًا ، يعد إنتاج الغذاء المستدام عنصرًا باهظ التكلفة اليوم ويجب علينا النظر في جميع الخيارات لتلبية الطلب المتزايد على الغذاء ، والذي من المقرر أن يزيد بنسبة 60٪ بحلول عام 2050. وقد التزمت حكومة سنغافورة بتلبية 30٪ من احتياجاتها الغذائية بحلول عام 2030 في "30 من 30"هدف الأمن الغذائي. تفتقر سنغافورة إلى موارد كبيرة من الأراضي للزراعة التقليدية ، لذا ستحتاج عمليات إنتاج البروتين عالي الكثافة إلى الظهور في مشهد الأمن الغذائي المستقبلي في سنغافورة. على الرغم من أن حكومة سنغافورة أعلنت هذا القرار قبل COVID-19 ، إلا أن الوباء عزز فكرة الأمن الغذائي للتيار الرئيسي.

كان هناك القليل جدًا من النقص في سنغافورة - النقص الوحيد الذي لاحظته كان ندرة الطماطم المعلبة لفترة قصيرة ولم يتم توصيل أسطوانة مضخم الصوت بعد! هذه مجرد مضايقات بسيطة. ومع ذلك ، فإن شبح نقص الغذاء لم ينسجم مع المواطن السنغافوري العادي ، وبالتالي فإن التحقق من إمدادات الغذاء في المستقبل يعد خطوة ذكية.

كيف يقارن مصدر البروتين هذا بأعلاف الماشية التقليدية؟ وهل يمكن أن تخبرنا كيف يمكن استخدام هذه العملية كجزء من حل مبتكر لاستهلاك الغذاء لدى البشر؟

يقارن بشكل جيد مع علف الماشية التقليدي. من ناحيتي ، أعتزم تطوير عملية فريدة ومحسّنة مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات سنغافورة. الآن ، أعتزم في الأصل تطوير هذه العملية لتغذية الحيوانات. كما تعلم ، لا يزال هناك عائق اجتماعي كبير يجب التغلب عليه قبل أن يأكل الناس البروتين البكتيري ، وبعض المشكلات الفنية التي يجب التغلب عليها ، مثل مستويات الحمض النووي. لذا ، خطوة واحدة في كل مرة. هناك الكثير من العلوم الرائعة التي يجب القيام بها في هذه الأثناء. أعتقد أن هناك بعض الجوانب الخاصة لعملية التمثيل الغذائي للضغط العالي والتي ستحقق فوائد فريدة للمنتج النهائي ، والتي ستكون لها صفات صحية وبريبايوتك. سأبقي هذه بالقرب من صدري في الوقت الحالي.

ISC-IIASA أنظمة غذائية مرنة خلص التقرير إلى أن "إطعام عدد متزايد من السكان وأكثر ثراءً سيتطلب زيادات في إنتاجية المحاصيل والثروة الحيوانية وتنوعها" وأن "الابتكار الذي يركز على فتح مصادر غذائية جديدة وبديلة يحتاج إلى الحفاظ عليه والتعجيل به" ، وهو ما يتماشى مع الجديد تقنيات مثل الغذاء من الميثان.

ولكن هل يمكننا أن نفترض أن هذا الغذاء الناتج عن عملية الميثان سيزيد بالفعل من مرونة النظم الغذائية مع الأخذ في الاعتبار أنه يمكن أن يعزز أيضًا اعتمادنا على الغاز الطبيعي؟ أيضًا ، إذا تم توسيع هذه العملية ، يمكن أن تقلل بشكل كبير من الطلب على الأراضي لزراعة الغذاء للماشية ، ولكن ألن تؤدي أيضًا إلى زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بشكل كبير؟

أسئلة رائعة. بالنسبة إلى أول واحد ، كما ذكرت ، أقترح في البداية استخدام الميثان من مصادر متجددة حيث يكون الميثان من أصل حيوي المنشأ ويتم إنتاجه بواسطة كائنات أحادية الخلية ميثانوجينية تسمى Archaea. وحتى هنا حيث لا يوجد استخدام أفضل لها مثل توليد الحرارة أو الكهرباء. على الرغم من توافق تيارات نفايات الميثان غير الحيوية ، إلا أنني لا أتوقع أن يكون هذا النوع من إنتاج الغذاء محركًا لإنتاج البتروكيماويات أو استخدامها.

بالنسبة إلى سؤالك الثاني ، وفقًا للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) ، فإن قدرة التأثير الإشعاعي للميثان أعلى بـ 86 مرة من قدرة ثاني أكسيد الكربون. لذا ، فإن تحويل الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون هو احتمال أفضل لمناخنا. أقترح استخدام مجاري النفايات وهو استخدام معقول لمواردنا ، والميثان من أصل حيوي هو مورد متجدد.

تهدف قمة الأمم المتحدة للأنظمة الغذائية إلى أنظمة غذائية أكثر صحة واستدامة وإنصافًا ، لذلك نعتقد أن "الإيجابيات تفوق السلبيات" لهذه الطريقة ، وبالتالي يمكن ، من بين تقنيات مبتكرة أخرى ، المساعدة في تحقيق التنمية المستدامة الأهداف؟

بالتأكيد ، إنه لا يحتاج إلى تفكير. تعتبر مجاري النفايات الغازية طريقة رائعة لصنع البروتين حيث يسهل التحكم فيها ومتجانسة نسبيًا وسهلة التعقيم. ناهيك عن أن هذه العمليات عالية الكثافة. على سبيل المثال ، كثافة الإنتاج التي يمكنك توليدها باستخدام التحويل الميثاني هي 4 كجم م³h^-1. هذا يعادل 4 كيلوغرامات من الكتلة الحيوية في متر مكعب واحد كل ساعة! لوضع هذا في الاعتبار ، فإن خزانات IBC (حاويات السوائب الوسيطة) التي ربما تكون قد شاهدتها كاذبة حول المواقع الصناعية تبلغ حوالي متر مكعب واحد. هذا يعادل بقرة واحدة ، أو نصف طن من الكتلة الحيوية ، في حوالي خمسة أيام! تستغرق تربية الماشية حوالي 18 شهرًا وتتطلب حوالي فدانًا من الأرض. هذه مجرد أرقام تجعل الدراسة جديرة بالاهتمام. لكن أضف إلى ذلك مجموعة من الفوائد البيئية جنبًا إلى جنب مع حقيقة أنه مصدر بروتيني أخلاقي ، أعتقد أنه يصنع لتكنولوجيا مقنعة للغاية.

كعالم ، ما الذي تريد أن يفهمه صانعو السياسات لجعل أنظمتنا الغذائية أكثر مرونة؟

أود أن يفهم صانعو السياسات أننا بحاجة إلى التحرك بسرعة لتمكين الانتقال إلى أنظمة غذائية أكثر مرونة. نحن بحاجة إلى التغلب على العديد من الحواجز الثقافية لتحقيق أنظمة إنتاج غذائية محسنة. يجب أن تكون السياسة مرنة وداعمة ، ويجب توفير الأموال ذات الأولوية لأحدث الأبحاث ، ويفضل أن يكون ذلك بطريقة تدعم الباحثين المبتدئين والمتوسطين بشكل أكثر فعالية.

الدكتور جيمي هينكس
الدكتور جيمي هينكس هو زميل أبحاث رئيسي في مركز سنغافورة لهندسة علوم الحياة البيئية (SCELSE)بتمويل من حكومة سنغافورة (المؤسسة الوطنية للبحوث ، ووزارة التعليم ، وجامعة نانيانغ التكنولوجية ، وجامعة سنغافورة الوطنية). شغل سابقًا منصب زميل باحث أول في SCELSE. قبل ذلك ، كان الدكتور هينكس زميلًا باحثًا في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة.

@ jamiehinks5