Nghiên cứu đột phá mở ra tiềm năng cho nhựa tái tạo từ carbon dioxide
Các nhà khoa học tại Đại học Manchester đã đạt được bước đột phá đáng kể trong việc sử dụng vi khuẩn lam - thường được gọi là "tảo lam" - để chuyển đổi carbon dioxide (CO2) thành các vật liệu có giá trị sinh học.
Tác giả: Enna Bartlett
Công trình của họ, được công bố trên Tạp chí Công nghệ sinh học cho nhiên liệu sinh học và sản phẩm sinh học, có thể đẩy nhanh quá trình phát triển các giải pháp thay thế bền vững cho các sản phẩm có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch như nhựa, giúp mở đường cho nền kinh tế sinh học tuần hoàn trung hòa carbon.
Nghiên cứu do Tiến sĩ Matthew Faulkner dẫn đầu, làm việc cùng với Tiến sĩ Fraser Andrews và Giáo sư Nigel Scrutton, tập trung vào việc cải thiện sản xuất citramalate, một hợp chất đóng vai trò là tiền chất cho nhựa tái tạo như Perspex hoặc Plexiglas. Sử dụng một phương pháp tiếp cận sáng tạo được gọi là "thiết kế thí nghiệm", nhóm nghiên cứu đã đạt được mức tăng đáng kể gấp 23 lần trong sản xuất citramalate bằng cách tối ưu hóa các thông số quy trình chính.
Tại sao lại là vi khuẩn lam?
Vi khuẩn lam là những sinh vật cực nhỏ có khả năng quang hợp, chuyển đổi ánh sáng mặt trời và CO2 thành hợp chất hữu cơ. Chúng là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các ứng dụng công nghiệp vì chúng có thể chuyển đổi CO2 - một loại khí nhà kính chính - thành các sản phẩm có giá trị mà không cần dựa vào các nguồn tài nguyên nông nghiệp truyền thống như đường hoặc ngô. Tuy nhiên, cho đến nay, tốc độ tăng trưởng chậm và hiệu quả hạn chế của những sinh vật này đã đặt ra những thách thức cho việc sử dụng công nghiệp quy mô lớn.
Matthew giải thích: "Nghiên cứu của chúng tôi giải quyết một trong những nút thắt chính trong việc sử dụng vi khuẩn lam để sản xuất bền vững". "Bằng cách tối ưu hóa cách những sinh vật này chuyển đổi carbon thành các sản phẩm hữu ích, chúng tôi đã thực hiện một bước quan trọng để biến công nghệ này thành khả thi về mặt thương mại".
Khoa học đằng sau bước đột phá
Nghiên cứu của nhóm tập trung vào Synechocystis sp. PCC 6803, một chủng vi khuẩn lam đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Citramalate, trọng tâm nghiên cứu của họ, được sản xuất trong một bước enzym duy nhất bằng cách sử dụng hai chất chuyển hóa chính: pyruvate và acetyl-CoA. Bằng cách tinh chỉnh các thông số quy trình như cường độ ánh sáng, nồng độ CO2 và khả năng cung cấp chất dinh dưỡng, các nhà nghiên cứu đã có thể tăng đáng kể sản lượng citramalate.
Các thí nghiệm ban đầu chỉ tạo ra một lượng nhỏ citramalate, nhưng thiết kế phương pháp tiếp cận thí nghiệm cho phép nhóm nghiên cứu khám phá một cách có hệ thống sự tương tác giữa nhiều yếu tố. Kết quả là, họ đã tăng sản lượng citramalate lên 6,35 gam trên một lít (g/L) trong các lò phản ứng quang sinh học 2 lít, với tốc độ năng suất là 1,59 g/L/ngày.
Mặc dù năng suất giảm nhẹ khi mở rộng quy mô lên các lò phản ứng 5 lít do những thách thức về cung cấp ánh sáng, nghiên cứu chứng minh rằng những điều chỉnh như vậy có thể quản lý được trong các quy trình mở rộng quy mô công nghệ sinh học.
Bằng cách biến CO2 thành thứ có giá trị, chúng tôi không chỉ giảm lượng khí thải mà còn tạo ra một chu trình bền vững, trong đó carbon trở thành khối xây dựng cho các sản phẩm chúng ta sử dụng hàng ngày.
Tiến sĩ Matthew Faulkner
Tầm nhìn về nền kinh tế tuần hoàn sinh học
Những hàm ý của nghiên cứu này không chỉ giới hạn ở nhựa. Pyruvate và acetyl-CoA, các chất chuyển hóa chính tham gia vào quá trình sản xuất citramalate, cũng là tiền chất của nhiều hợp chất quan trọng khác về mặt công nghệ sinh học. Do đó, các kỹ thuật tối ưu hóa được chứng minh trong nghiên cứu này có thể được áp dụng để sản xuất nhiều loại vật liệu, từ nhiên liệu sinh học đến dược phẩm.
Bằng cách tăng cường hiệu quả thu giữ và sử dụng carbon, nghiên cứu này góp phần vào các nỗ lực toàn cầu nhằm giảm thiểu biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên không tái tạo.
Matthew nói thêm: "Công trình này nhấn mạnh tầm quan trọng của nền kinh tế sinh học tuần hoàn". "Bằng cách biến CO2 thành thứ có giá trị, chúng tôi không chỉ giảm phát thải mà còn tạo ra một chu trình bền vững, trong đó carbon trở thành khối xây dựng cho các sản phẩm mà chúng ta sử dụng hàng ngày".
Tiếp theo là gì?
Nhóm nghiên cứu có kế hoạch cải tiến thêm các phương pháp của mình và khám phá các cách để mở rộng quy mô sản xuất trong khi vẫn duy trì hiệu quả. Họ cũng đang nghiên cứu cách tiếp cận của mình có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa các con đường trao đổi chất khác trong vi khuẩn lam, với mục đích mở rộng phạm vi các sản phẩm có nguồn gốc sinh học có thể được sản xuất bền vững.
Nghiên cứu này là bước phát triển mới nhất từ Trung tâm nghiên cứu sản xuất sinh học tương lai (FBRH) và được hoàn thành với sự hợp tác của cơ sở mở rộng quy mô FlexBio tại Đại học Heriot-Watt.
