Các nhà nghiên cứu tại Khoa Hóa học Vật lý và Vô cơ (IPC), Viện Khoa học Ấn Độ (IISc), đã phát triển một nền tảng enzym có thể biến đổi hiệu quả các axit béo dồi dào và rẻ tiền trong tự nhiên thành các hydrocacbon có giá trị gọi là 1-alken, là nhiên liệu sinh học đầy hứa hẹn.
Chất xúc tác sinh học toàn tế bào được thiết kế để sản xuất 1-alken hiệu quả. Tín dụng: Tabish Iqbal
Với sự sẵn có hữu hạn và tính chất gây ô nhiễm của nhiên liệu hóa thạch, các nhà khoa học đang ngày càng khám phá các con đường nhiên liệu bền vững có liên quan đến các hợp chất gọi là hydrocarbon. Chúng cho thấy tiềm năng lớn như nhiên liệu sinh học "có thể sử dụng được", có thể được pha trộn và sử dụng với các nhiên liệu và cơ sở hạ tầng hiện có.
Những hydrocarbon này có khả năng được tổng hợp trên quy mô lớn bằng cách sử dụng "nhà máy" vi sinh vật. Do đó, các enzyme giúp sản xuất hàng loạt các hydrocarbon này rất được săn đón. Hydrocarbon cũng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp polyme, chất tẩy rửa và chất bôi trơn.
Trong một nghiên cứu trước đây, nhóm IISc đã tinh chế và mô tả đặc điểm của một loại enzyme có tên là UndB, liên kết với màng tế bào sống, đặc biệt là một số loại vi khuẩn. Nó có thể chuyển đổi axit béo thành 1-alkene với tốc độ nhanh nhất hiện nay. Nhưng nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng quá trình này không hiệu quả lắm—enzyme sẽ bị bất hoạt chỉ sau một vài chu kỳ. Khi họ nghiên cứu sâu hơn, họ nhận ra rằng H 2 O 2 —một sản phẩm phụ của quá trình phản ứng—đang ức chế UndB.
Trong nghiên cứu hiện tại được công bố trên tạp chí Science Advances , nhóm nghiên cứu đã vượt qua thách thức này bằng cách thêm một enzyme khác gọi là catalase vào hỗn hợp phản ứng.
"Catalase phân hủy H 2 O 2 được tạo ra", Tabish Iqbal, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại IPC, giải thích. Ông cho biết việc bổ sung catalase đã tăng cường hoạt động của enzyme lên 19 lần, từ 14 đến 265 lần luân chuyển (lần luân chuyển cho biết số chu kỳ hoạt động mà một enzyme hoàn thành trước khi bị bất hoạt).
Phấn khích trước phát hiện này, nhóm nghiên cứu đã quyết định tạo ra một protein tổng hợp nhân tạo kết hợp UndB với catalase, bằng cách đưa mã di truyền tổng hợp thông qua các chất mang gọi là plasmid vào vi khuẩn E. coli. Với các điều kiện thích hợp, những vi khuẩn E. coli này sau đó sẽ hoạt động như một "chất xúc tác sinh học toàn tế bào", chuyển đổi axit béo và tạo ra anken.
Tuy nhiên, có một số thách thức. Là một protein màng, UndB cực kỳ khó để làm việc. Vượt quá một nồng độ nhất định, nó có thể gây độc cho tế bào vi khuẩn. Các protein màng như UndB cũng không hòa tan trong nước, khiến việc duy trì các điều kiện phù hợp để nghiên cứu chúng trở nên khó khăn.
Để nâng cao hiệu quả của protein chimeric, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm tác động của nhiều loại protein "đối tác oxi hóa khử" khác nhau giúp đưa các electron đến UndB trong quá trình chuyển đổi axit béo thành anken.
Họ phát hiện ra rằng các protein có tên ferredoxin và ferredoxin reductase, cùng với nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), có thể cung cấp điện tử hiệu quả nhất. Khi kết hợp những chất này vào vi khuẩn E. coli biến đổi gen và axit béo trong thức ăn, hiệu suất chuyển đổi đã tăng lên tới 95%.
Debasis Das, Trợ lý Giáo sư tại IPC và tác giả tương ứng, cho biết ưu điểm chính của chất xúc tác sinh học này là UndB rất đặc hiệu và không tạo ra bất kỳ sản phẩm phụ không mong muốn nào. 1-alkene tinh khiết là sản phẩm duy nhất. Ông cho biết thêm: “1-alken có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu sinh học.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng chất xúc tác sinh học của họ có thể chuyển đổi nhiều loại axit béo có chứa các loại chuỗi cacbon khác nhau thành 1-alkene. Họ cũng chỉ ra rằng chất xúc tác sinh học có thể sản xuất styrene, một mặt hàng quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất và polyme.
Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho protein được thiết kế và chất xúc tác sinh học toàn tế bào của họ. Họ cũng đang tìm kiếm những cộng tác viên trong ngành để mở rộng quy mô nền tảng cho sản xuất hàng loạt.
Das cho biết: "Nền tảng của chúng tôi có thể được sử dụng hiệu quả để tạo ra số lượng lớn 1-anken có giá trị trong ngành công nghiệp công nghệ sinh học và polyme".
Mời các đối tác xem các hoạt động của Công ty TNHH Tập đoàn Thái Bình Dương
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
