בתי החרושת הירוקים

אצות לא צריכות הרבה בשביל לחיות: פחמן דו-חמצני מהאוויר, אור וקומץ חומרי תזונה. בתמורה (ולעתים בעזרת הנדסה גנטית) הן יכולות לספק הרבה מאוד: החל בחלבונים מהונדסים ותרופות, דרך דלק ביולוגי וכלה במזון לבני אדם ולבעלי חיים.

אצות הן קבוצה גדולה ומגוונת של יצורים שמסוגלים לבצע פוטוסינתזה, כלומר להמיר אנרגיית שמש ופחמן דו-חמצני לסוכרים ולחמצן. אין להן שורשים, גבעולים ועלים ורובן גדלות בסביבה מימית. האצות הקטנות ביותר הן האצות החד תאיות שנקראות גם מיקרו-אצות וגודלן מיקרומטרים בודדים (מיליוניות המטר). לשם השוואה, העובי של שערה הוא 50-40 מיקרומטרים. צבאים של אצות כאלה הם החלקיקים הירוקים הקטנים שאפשר לראות לפעמים במים עומדים. אצות רב תאיות, לעומת זאת, קיימות בגדלים רבים והגדולות שבהן, כמו הקלפ  (kelp) יכולות להגיע אפילו ל-50 מטר.

האצות מומחיות בניצול יעיל של פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה, ועם חיידקים מסוימים הן אחראיות ל-40 אחוז מסך קיבוע הפחמן הדו-חמצני בעולם. חלק נכבד מהנתון הזה יש לזקוף לזכות האצות החד תאיות בים. בנוסף, האצות החד תאיות מספקות בערך חצי מהחמצן שבאטמוספרה.

בית חרושת למולקולות

אצות חד תאיות מסוגלות להתרבות בקצב מהיר יחסית. יש מיני אצות שהמכפילות את המסה שלהן תוך שש שעות בלבד. מכיוון שהן מבצעות פוטוסינתזה ומקבלות את האנרגיה שלהן מהאור, הן לא דורשות הרבה משאבים. לכן גם זול יחסית לגדל אותן. כך האצות הפכו לכלי נוח לייצור מלאכותי של מולקולות, למשל חלבונים. גם חיידקים, שמרים ותאי בעלי חיים משמשים לייצור חלבונים, אך הם יקרים יותר מבחינת המחיר והאנרגיה הדרושים לגידולם, ותהליך הפקת החלבון מתוך התא לרוב יהיה מורכב יותר. בתהליך ייצור חלבונים בחיידקים לעיתים מתרחשים שינויים בלתי רצויים בחלבון, בגלל מנגנונים תאיים הקיימים בחיידקים, שאינם קיימים בתאים בעלי גרעין אמיתי, למשל שמרים, אצות או תאי בעלי חיים.

גם מבחינה בטיחותית יש יתרון לאצות – הסיכוי לזיהום סביבתי של אצה המבטאת חלבון שיכול לשמש למטרות רפואיות מסוים הוא יחסית נמוך. כמו כן, מכיוון שמיני האצות המשמשות לייצור חלבונים הם לרוב לא מיני מאכל, הסיכוי שאצה טרנסגנית כזו תגיע לשרשרת המזון האנושית נמוך גם הוא.

בתהליך שבו מחדירים לאצה גן לייצור חלבון, למשל החלבון שמיועד לשימוש בחיסון נגד נגיף הפפילומה, רק תאים מעטים מקבלים בדרך כלל את הגן בהצלחה ומייצרים את החלבון הרצוי. לכן יש חשיבות גדולה לקצב ההתרבות הגבוה של האצה. כעבור זמן קצר התאים הבודדים הללו יהיו תאים רבים, וכל אחד מהם יכול לייצר כמות גדולה של החלבון המבוקש. דוגמאות נוספות לחלבונים המיוצרים כיום באמצעות אצות כוללות את החלבונים בחיסון המונע הפצת מלריה, אריתרופויטין המשמש בטיפול באנמיה וסלנופרוטאין המשמש תוסף תזונה.

אפשר גם לנצל מולקולות שהאצות החד תאיות מייצרות באופן טבעי. החברה הישראלית "אלגטק" מקיבוץ קטורה בערבה מפיקה מזנים ייחודיים של האצה Haematococcus pluvialis צבען אדום בשם אסטקסנתין, שמופרש כשהאצה נמצאת במצב עקה (סטרס). בתעשיית הסלמון משתמשים בפיגמנט הזה כדי להעניק לדג את צבעו הוורוד. בנוסף, הודות לתכונותיו נוגדות החמצון משתמשים באסטקסנתין גם כתוסף תזונה. אגלטק זכתה בנובמבר 2016 בתחרות הכלל-אירופאית Food4Future, ותחקור את הפוטנציאל של אצות כמרכיב בתזונת האדם.

זן של האצה החד תאית Dunaliella bardawil, שבודד וחקר מרדכי אברון ממכון ויצמן למדע מייצר בטא-קרוטן בתגובה למצבי עקה. הבטא-קרוטן הוא שנותן גם לגזר ולבטטה את צבעם הכתום, ומשמש מולקולת-מוצא ליצירת ויטמין A, החיוני בתזונה. הבטא-קרוטן תורם בין השאר גם במניעת מחלות עיניים כמו קטרקט או ניוון מקולרי (של גלגל העין), ועוזר בטיפול בלחץ דם גבוה ובמחלות עור כמו פסוריאזיס. מתוך הכרה ביתרונותיו הרבים של הבטא-קרוטן כתוסף תזונה, החברה היפנית "ניקן-סוהונשה" מפיקה במפעלה ליד אילת בטא-קרוטן מהאצה בתהליך שפותח במכון.

מחקר שנעשה באוניברסיטת בן גוריון על האצה פורפירידיום (Porphyridium) הוביל גם הוא לשימוש תעשייתי. בשיטה שפיתחה שוש ארד אפשר להפיק מתוך האצה פוליסכריד, המשמש כג'ל בתעשיית הקוסמטיקה. השיטה נמכרה לחברה הישראלית פרוטרום, המייצרת כיום את הפוליסכריד במפעל בגילת שבצפון הנגב. לפוליסכריד זה תכונות אנטיויראליות ואנטי-דלקתיות כך שיש לו יישומים פוטנציאליים בתחום הפרמצבטיקה, הדרמטולוגיה והקוסמטיקה.

צבע אדום. אצות Haematococcus pluvialis המפרישות אסטקסנתין בשעת הדחק | מקור: ויקיפדיה (פרנק פוקס, mikro-foto.de)

איכות הסביבה

בדומה לצמחים עילאיים, שמסוגלים לספוח חומרים רעילים כמו מתכות או תרכובות אורגניות מסוכנות מתוך האדמה, המים או האוויר, גם במיקרו-אצות קיימים מנגנונים דומים. היתרונות העיקריים של האצות על פני צמחים עילאיים הם גידול מהיר ותנאי גידול פחות תובעניים מאשר צמחים עילאיים. מערכות המבוססות על אצות יכולות לטפל במי ביוב ובפסולת חקלאית ותעשייתית. מערכות לטיפול בזיהומים של חומרים רעילים כמו עופרת, כספית, ארסן וברום נמצאות בשלבי פיתוח.

מיקרו-אצות מסוגלות גם לפרק את החומר מעכב הבעירה Tetrabromobisphenol-A (TBBPA. זהו מעכב הבעירה הנפוץ ביותר בשימוש, יותר מ-170 אלף טון בשנה, שנמצא במוצרים רבים, מטקסטיל ועד מוצרי חשמל. הבעיה היא שהוא דומה כימית להורמון בלוטת התריס, תירוקסין, ולכן יש חשש שהוא עלול לפגוע במערכת ההורמונלית בבני אדם. למרות הסיכון הפוטנציאלי לבני אדם ולסביבה, אין פיקוח על ייצור החומר ועל השלכתו כפסולת. ברוב המקרים, החומר מגיע מאתרי השלכה למקורות מים, לכן יש חשיבות להבנה כיצד מיקרו-אצות הגדלות בסביבה מימית מפרקות TBBPA, מהם תוצרי הפירוק, ומה השפעתם על הסביבה.

מחקרים בתחום טיפול של מים בעזרת אצות מתבצעים גם בארץ – למשל בתחנת מחקר ופיתוח ערבה. בין השאר, חוקרים שם את האפשרות לנצל אצה לטיפול במי פסולת תעשייתית, כך שאפשר יהיה להשתמש במים האלו לאחר מכן להשקיה חקלאית. בנוסף, מכיוון שהאצה סופחת ממי הפסולת חומרים כמו חנקן וזרחן, היא יכולה לשמש לאחר מכן כדשן.

לכבוד פסטיבל גנים בז'נבה שבשוויץ, בנתה חברה הולנדית-צרפתית מערכת צינורות שקופים המכילים אצות, מעל לכביש מהיר. הרציונל היה שפליטות הפחמן הדו-חמצני מהמכוניות יספקו את חומר המוצא הדרוש לפוטוסינתזה של האצות, והאצות יטהרו את האוויר. לאחר מכן, אפשר להשתמש באצות כחומר בעירה, כמזון, או למוצרי קוסמטיקה.

דלק ביולוגי

דלק ביולוגי הוא דלק שמקורו במערכת ביולוגית, באופן מלא או חלקי. השיטה הבסיסית כיום ברוב הטכנולוגיות לייצור דלק ביולוגי היא הפקה של אתנול (כוהל) מחומר צמחי, למשל מהסוכר שבקנה סוכר.

דלק שמקורו במערכות ביולוגיות (ביודיזל) מופק גם הוא מצמחים עילאיים, למשל סויה ודקל. אך ככל שגבר השימוש בו, התברר שכדי לקבל כמויות משמעותיות של דלק, שיוכלו להתחרות בנפט, יהיה צורך בשטח אדיר של קרקע חקלאית כך שזו אינה שיטה בת-קיימא. לעומת זאת, מיקרו-אצות עשויות לספק חלופה מבטיחה לייצור ביודיזל. הן עשירות בשומנים ושמנים ואינן מתחרות על קרקע חקלאית, משום שאפשר לגדל אותן באזורים חוליים ומלוחים, ואפילו במי-ים. עם זאת, הקשיים שבהם נתקלו המגדלים, כמו זיהומים והמחיר הכלכלי הכרוך בבניית מקווי מים עבור האצות ואספקה סדירה של אור ונוטריינטים, גרמו לירידה בהשקעות במחקר בתחום זה מצד חברות אנרגיה גדולות כמו Shell ו- ExxonMobil. אך מכיוון שלאצות פוטנציאל גדול בהפקת ביודיזל, המחקר להתייעלות בדרך גידולן ממשיך.

אצות C. reinhardtii בצילום (צבוע) במיקרוסקופ אלקטרונים | מקור: ויקיפדיה (Dartmouth Electron Microscope Facility)

הנעת מכוניות העתיד?

חלופה נוספת לבנזין כדלק במנועי מכוניות היא השימוש בגז מימן. למעשה, הטכנולוגיה הזו נמצאת כבר בשימוש במכוניות של יונדאי וטויוטה, באמצעות תא דלק. גם חברות הונדה ומרצדס עובדות על דגמי מכוניות המונעות במימן, בטכנולוגיה שבה קילוגרם מימן יכול להספיק לכמאה ק"מ.

הבעיה היא שהמימן לתדלוק המכוניות האלו מתקבל מתהליך מזהם מאוד של פיצוח גז טבעי, או באמצעות תגובה כימית בשם אלקטרוליזה שמפרקת את מולקולות המים למרכיביהן: מימן וחמצן. אם האנרגיה הדרושה לאלקטרוליזה מגיעה ממקור מתחדש, כמו אנרגיית השמש, אכן מדובר בפתרון "ירוק". אך אם החשמל הדרוש מגיע מתחנת כוח פחמית – המכונית עדיין מזהמת, גם אם בעקיפין.

יפתח יעקובי מאוניברסיטת תל אביב חוקר את האפשרות לייצור מימן באמצעות האצות החד תאיות Chlamydomonas reinhardtii. בניגוד לצמחים עילאיים, רבות מהאצות החד תאיות מסוגלות לייצר מימן, אך בכמות מוגבלת. בעבר חשבו שהתהליך הזה מתרחש רק סמוך לשעת הזריחה למשך זמן קצר מאוד. בשנת 2000 נמצא שאם מונעים מהאצות גישה לגופרית אפשר לקבל מהן תהליך רציף של הפקת מימן במשך כמה ימים.

בתהליך הזה האצה ממירה 2-1 אחוז מאנרגיית האור למימן. לדברי יעקובי, המקסימום התיאורטי שאליו ניתן להגיע הוא כ-13 אחוז, אך כדי שהשימוש באצות לייצור מימן יהיה כלכלי ויוכל להתחרות בבנזין מספיק אם נצליח לעבור את רף חמשת האחוזים.

אחת הבעיות היא שהאנזים הידרוגנאז, האחראי על ייצור המימן אצל האצות, רגיש מאוד לנוכחות חמצן ומתפרק באופן בלתי הפיך כשהוא נחשף אליו. מכיוון שהאצות מייצרות חמצן בתהליך הפוטוסינתזה, הסברה עד כה הייתה שהאנזים אינו יכול להיות פעיל בשעות היום, כאשר מערכות הפוטוסינתזה פועלות. יעקובי ועמיתיו מצאו שהמיקרו-אצות מייצרות מימן גם כשיש עליהן תאורה, כלומר הן מייצרות בתהליך הפוטוסינתזה לא רק חמצן אלא גם מימן.

העובדה שההידרוגנאז מצליח בכל זאת לפעול מעידה שהוא מוגן מפני חמצן. ברגע שנבין מה הם המנגנונים הטבעיים באצה שמגנים על ההידרוגנאז מהחמצן, זו תהיה קפיצת מדרגה מבחינת המאמץ למצות את הפוטנציאל הגלום בניצול אצות לייצור מימן.

מחקר נוסף של יעקובי נועד להגביר את קצב ייצור המימן של ההידרוגנאז. כשאיחו בהנדסה גנטית בין הידרוגנאז לבין החלבון נשא האלקטרונים פרדוקסין, המשתתף גם הוא בתהליך הפוטוסינתזה, הצליחו להאיץ את קצב הייצור פי ארבעה או חמישה מזה של האנזים הטבעי. ההגברה הזאת מביאה את יעילות ההמרה של אנרגיית האור למימן אל מעל הסף הדרוש לכדאיות כלכלית.

עם זאת, החישוב הוא של כמות המימן שמייצרת כל מולקולה של האנזים. הבעיה היא שנכון להיום האנזים המהונדס נמצא באצה ברמות נמוכות מאוד, ולכן כמות המימן המתקבלת עדיין לא גדלה באופן משמעותי מספיק. האתגר הבא יהיה להגדיל את כמות החלבון המהונדס באצה וכך גם להגביר את ייצור המימן לרמה מספקת מבחינה כלכלית. צעד חשוב נוסף יהיה להעביר את החלבונים שמאפשרים את ייצור המימן המוגבר מזני המעבדה לזני אצות עמידים יותר, למשל הדונליאלה – שיכולה לחיות בריכוזי מלח גבוהים ובטמפרטורות גבוהות.

למיקרו-אצות יש פוטנציאל עצום בתחומים רבים מאוד, למשל אנרגיה ירוקה, ייצור תרופות, חיסונים וחלבונים אחרים. הן משחקות גם תפקיד חשוב מאוד בקביעת הרכב האטמוספרה והאוויר שאנחנו נושמים. ואם הן מתפתחות חלילה בבקבוק שהשארנו פתוח יותר מדי זמן, לא נורא – אחרי הכל גם אם המים "התקלקלו" בגלל אצות, אנחנו עדיין חייבים להן הרבה מאוד.