การใช้จุลินทรีย์เปลี่ยนก๊าซของเสียให้เป็นสารเคมีมูลค่าสูง

เชื้อเพลิงฟอสซิลไม่ได้มีไว้แค่ขับเคลื่อนยานพาหนะ ให้ความร้อนในบ้าน หรือผลิตไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังเป็นแหล่งวัตถุดิบสำหรับสารเคมีที่พบในผลิตภัณฑ์นับไม่ถ้วนที่เราใช้ทุกวัน ตั้งแต่พลาสติกไปจนถึงสบู่ ในการค้นหาทางเลือกใหม่ ทีมนักวิทยาศาสตร์จาก LanzaTech, Northwestern University และห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ได้พัฒนาเทคโนโลยีที่ใช้ประโยชน์จากการปล่อยมลพิษอุตสาหกรรมเพื่อผลิตสารเคมีมูลค่าสูง ด้วยการใช้จุลินทรีย์เป็นโรงงานขนาดจิ๋วที่เปลี่ยนคาร์บอนในก๊าซที่ปล่อยจากภาคเกษตร อุตสาหกรรมและขยะชุมชนให้กลายเป็นอะซิโทน (Acetone) และไอโซโพรพานอล (isopropanol: IPA) ซึ่งเป็นสารเคมีที่อุตสาหกรรมใช้ผลิตสินค้านับพันชนิดตั้งแต่น้ำมันเชื้อเพลิง ตัวทำละลาย ผ้า ไปจนถึงอะคริลิกใส ปัจจุบันสารเคมีเหล่านี้ผลิตจากวัตถุดิบตั้งต้น (feedstocks) ที่มาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล

นักวิจัยต่อยอดจากเทคโนโลยีของ LanzaTech ที่มีอยู่แล้ว เพื่อพัฒนากระบวนการใหม่ที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนก๊าซของเสีย เช่น การปล่อยจากอุตสาหกรรมหนัก ให้เป็นอะซิโทนหรือ IPA โดยใช้แบคทีเรียดัดแปลงพันธุกรรมชื่อ Clostridium autoethanogenum หรือ C. auto การค้นหาเอนไซม์ที่เหมาะสมสำหรับการผลิตอะซิโทนและ IPA และการออกแบบสายพันธุ์จุลินทรีย์ให้สามารถเปลี่ยนคาร์บอนเป็นสารเคมีได้อย่างมีประสิทธิภาพและให้ผลผลิตสูง ถือเป็นความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ ทีมวิจัยจึงใช้แนวทางสามด้าน คือ

1. LanzaTech คัดกรองสายพันธุ์แบคทีเรียเกือบ 300 สายพันธุ์ เพื่อหาเอนไซม์ที่มีศักยภาพ

2. นักวิจัยสร้าง DNA library แบบผสมผสาน (combinatorial DNA library) ซึ่งใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมาสำหรับจุลินทรีย์กลุ่มนี้ ไลบรารีนี้ช่วยให้ค้นหาตัวแปรของเอนไซม์ที่เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตอะซิโทน

3. ทีมวิจัยใช้เครื่องมือชีววิทยาขั้นสูง เช่น ระบบต้นแบบแบบไร้เซลล์จาก Northwestern การสร้างแบบจำลองขั้นสูงจาก LanzaTech และการวิเคราะห์ระดับโมเลกุลจาก ORNL

นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ใช้เทคนิค mass spectrometry ในการวิเคราะห์โปรตีนและโมเลกุลขนาดเล็กที่เรียกว่า metabolites จากข้อมูลนี้ ทำให้สามารถระบุวิธีการปรับปรุงกระบวนการของจุลินทรีย์และเพิ่มการผลิตสารเคมีมูลค่าสูงได้

Image courtesy of Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy

นวัตกรรมนี้ต่อยอดจากโครงการปี 2015 ที่ ORNL และ LanzaTech ทำการถอดรหัสจีโนมของ C. auto ทั้งหมด ซึ่งให้ข้อมูลสำคัญสำหรับเชื่อมโยงยีนของจุลินทรีย์กับลักษณะที่ต้องการ นักวิจัยจึงได้ใช้แนวทางชีววิทยาระบบ (systems biology) และศักยภาพด้านการวิเคราะห์ของ ORNL

งานวิจัยนี้ใช้ความเชี่ยวชาญหลักสองด้านของ ORNL คือ โปรตีโอมิกส์ (การศึกษาชุดโปรตีน) และ เมแทบอลิโอมิกส์ (การศึกษาสารเมแทบอไลต์ขนาดเล็ก) ซึ่งให้ภาพระดับโมเลกุลว่าจุลินทรีย์ใช้และผลิตสารเคมีใดบ้าง เมื่อจุลินทรีย์ย่อยสลายสารอาหารที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต มันจะสร้างผลผลิตพลอยได้ ซึ่งสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่ต้องการให้จุลินทรีย์ผลิตสารเฉพาะ ผลพลอยได้เหล่านี้คือ “คอขวด” ของกระบวนการ

Tim Tschaplinski หัวหน้าฝ่าย Biodesign and Systems Biology ของ ORNL กล่าวว่า “โปรไฟล์ของโปรตีนและเมแทบอไลต์ช่วยให้เห็นว่าคอขวดของการผลิตเกิดขึ้นตรงไหนในเซลล์ C. auto เราจึงรู้ว่าต้องปรับแต่งขั้นตอนไหนในเส้นทางเมแทบอลิซึมเพื่อให้คาร์บอนเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์มากขึ้น”

Michael Köpke รองประธานฝ่ายชีววิทยาสังเคราะห์ของ LanzaTech กล่าวว่า “Oak Ridge มีความสามารถเฉพาะตัวด้านการถอดรหัส DNA ชีววิทยาระบบ และการวิเคราะห์เมแทบอลิซึมและโปรตีโอมิกส์ ความเชี่ยวชาญของห้องปฏิบัติการช่วยให้เราวิเคราะห์ปัญหาและระบุขั้นตอนที่เป็นข้อจำกัดได้” เขากล่าวต่อว่า “เราเจอเอนไซม์ตัวหนึ่งที่เมื่อเพิ่มการผลิตแล้วให้ผลดีมาก ซึ่งเราค้นพบได้จากการวิเคราะห์ชีววิทยาระบบและโปรตีโอมิกส์จำนวนมากที่ ORNL ทำให้”

ปัจจุบัน LanzaTech กำลังขยายการใช้งานเทคโนโลยีนี้ กระบวนการสามารถติดตั้งในระบบที่มีอยู่และนำไปใช้ทั่วโลก นอกจากการสนับสนุนจาก ORNL งานวิจัยนี้ยังได้ร่วมมือกับ Joint Genome Institute ซึ่งเป็นศูนย์ผู้ใช้ของ DOE ที่ Lawrence Berkeley National Laboratory

Paul Langan ผู้อำนวยการฝ่ายห้องปฏิบัติการของ ORNL กล่าวว่า “นักวิทยาศาสตร์ของเรานำศักยภาพระดับโลกของห้องปฏิบัติการมาทำงานร่วมกับภาคอุตสาหกรรม เพื่อใช้ระบบชีวภาพสร้างรากฐานให้กับเศรษฐกิจชีวภาพที่แข็งแกร่ง” ที่มา:

Basic2Breakthrough: Using Microbes to Turn Waste Gases into Valuable Chemicals, https://www.energy.gov/science/articles/basic2breakthrough-using-microbes-turn-waste-gases-valuable-chemicals