Biến ô nhiễm khí hậu thành thứ gì đó hữu ích từ lâu đã là một tham vọng khoa học toàn cầu.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã tiến một bước táo bạo hướng tới mục tiêu đó bằng cách xây dựng một hệ thống trao đổi chất hoàn toàn nhân tạo có thể chuyển đổi các phân tử có nguồn gốc từ CO2 thành các khối cấu tạo hóa học có giá trị.
“Lấy cảm hứng từ thiên nhiên, chúng tôi đã tìm cách sử dụng các enzyme sinh học để chuyển hóa formate có nguồn gốc từ CO2 thành các vật liệu có giá trị hơn. Vì không có bộ enzyme nào trong tự nhiên có thể làm được điều đó, chúng tôi quyết định tự thiết kế một bộ enzyme có tên hệ thống ReForm” - PGS. Ashty Karim thuộc Đại học Northwestern (Mỹ), đồng chủ trì nghiên cứu, cho biết.
Chuyển hóa CO2 thành các vật liệu công nghiệp giá trị - Người Mỹ đã làm thế nào?
Việc phát thải CO2 không ngừng đã gây ra nhiều thách thức kinh tế và xã hội cấp bách cho nhân loại. Nếu muốn giải quyết thách thức toàn cầu này, chúng ta cần khẩn cấp tạo ra những phương thức mới để sản xuất hàng hóa theo hướng giảm phát thải carbon.
Karim giải thích rằng mặc dù tự nhiên đã phát triển các con đường để xử lý CO2, nhưng không có con đường nào có thể chuyển đổi formate thành acetyl-CoA.
CO2 sau khi được thu giữ sẽ trở nên có ích hơn với phát minh của các nhà nghiên cứu Mỹ.
Đây là lúc người Mỹ vào cuộc: Các nhà sinh học tổng hợp từ Đại học Northwestern và Đại học Stanford đã chế tạo một hệ thống mới có khả năng chuyển hóa formate, một phân tử lỏng đơn giản dễ dàng được tạo ra từ CO2 đã được thu giữ, thành acetyl-CoA, một chất chuyển hóa quan trọng được sử dụng bởi tất cả các tế bào sống.
Để chứng minh tính khả thi của ý tưởng, hệ thống tương tự sau đó đã được sử dụng để chuyển đổi acetyl-CoA thành malate - một hợp chất hữu cơ có giá trị thương mại được sử dụng trong các sản phẩm thực phẩm, mỹ phẩm và nhựa phân hủy sinh học.
Phương pháp này rung chuyển toàn cầu như thế nào?
Điều làm nên sự khác biệt của công trình này là con đường trao đổi chất đó không tồn tại trong tự nhiên.
Thay vì dựa vào các sinh vật sống, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một hệ thống hoàn toàn tổng hợp, không có tế bào, bao gồm các enzyme được thiết kế có khả năng thực hiện các phản ứng chưa từng được quan sát trước đây trong thế giới sinh học.
Hệ thống này, được gọi là Con đường khử Formate - Reductive Formate Pathway, hay ReForm, đại diện cho một bước tiến lớn trong sinh học tổng hợp và tái chế carbon, với những tiềm năng ứng dụng trong nhiên liệu trung hòa carbon và sản xuất bền vững.
Khác với các con đường trao đổi chất tự nhiên hoạt động bên trong cơ thể sinh vật, ReForm hoạt động hoàn toàn bên ngoài các tế bào sống.
Điều làm nên sự khác biệt của công trình này là con đường trao đổi chất đó không tồn tại trong tự nhiên. Ảnh: Getty Images
Thiết kế này cho phép các nhà nghiên cứu vượt qua những hạn chế sinh học vốn từ lâu đã cản trở việc sử dụng CO2 hiệu quả.
Để ReForm hoạt động, nhóm nghiên cứu trước tiên phải tạo ra các enzyme có khả năng thực hiện các nhiệm vụ hóa học hoàn toàn mới. Họ chuyển sang sử dụng sinh học tổng hợp không tế bào, một kỹ thuật tách chiết bộ máy phân tử của tế bào và vận hành nó trong môi trường ống nghiệm.
“Nó giống như việc mở nắp ca-pô của một chiếc xe và tháo động cơ ra,” Michael Jewett của Đại học Stanford, đồng chủ trì nghiên cứu, cho biết. “Sau đó, chúng ta có thể sử dụng ‘động cơ’ đó cho các mục đích khác nhau, không bị ràng buộc bởi cấu tạo của chiếc xe.”
ReForm có thể dễ dàng sử dụng nhiều nguồn carbon khác nhau. Đây là lần đầu tiên người Mỹ chứng minh được con đường trao đổi chất tổng hợp có thể làm được điều đó.
Các nhà nghiên cứu cho biết nền tảng này có thể được tối ưu hóa và điều chỉnh hơn nữa để xây dựng các con đường tổng hợp khác kết hợp hóa học và sinh học, cung cấp các công cụ mới cho sản xuất tiết kiệm carbon. Phát minh này được trình bày chi tiết trong tạp chí Nature Chemical Engineering.
