Tán xạ neutron và siêu máy tính làm sáng tỏ quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học hiệu quả hơn
Tác giả: Stephanie Seay, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge
Các phân tử butanol kích hoạt những thay đổi trong mô hình màng tế bào vi khuẩn trong minh họa nghiên cứu này sử dụng tán xạ neutron và siêu máy tính để hiểu các quy trình cơ bản nhằm sản xuất hiệu quả nhiên liệu, hóa chất và vật liệu trong nước từ sinh khối thực vật. Nguồn: Morgan Manning/ORNL, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge thuộc Bộ Năng lượng và Đại học Cincinnati đã đạt được bước đột phá trong việc hiểu được tính dễ bị tổn thương của vi khuẩn đối với butanol mà chúng tạo ra trong quá trình lên men sinh khối thực vật. Khám phá này có thể mở đường cho quá trình sản xuất nhiên liệu, hóa chất và vật liệu trong nước hiệu quả hơn.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng khả năng tán xạ neutron và mô phỏng động lực học phân tử của ORNL để phân tích quá trình lên men tạo ra butanol, một loại rượu chứa nhiều năng lượng có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh học, dung môi hoặc nguyên liệu hóa học.
Các phương pháp được phát triển cho đến nay để sản xuất rượu sinh học phải đối mặt với một rào cản lớn: butanol độc hại đối với chính các vi sinh vật sản xuất ra nó. Độc tính này hạn chế lượng butanol có thể được tạo ra trong quá trình lên men, tạo ra thách thức đối với sản xuất dựa trên sinh học.
Các nhà khoa học tập trung phân tích của họ vào các vùng chuyên biệt trong màng tế bào của vi khuẩn được gọi là miền màng đóng vai trò quan trọng trong việc tổ chức protein và duy trì sự ổn định của tế bào.
Sử dụng các cấu trúc nhỏ giống như bong bóng được gọi là liposome mô phỏng màng tế bào, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng butanol có xu hướng tích tụ không đều xung quanh màng, khiến các miền nhỏ hơn hợp nhất thành các miền lớn hơn và thúc đẩy sự mỏng đi của một số vùng trên màng, như được mô tả trong tạp chí Langmuir. Tiếp xúc với butanol cuối cùng đã kích hoạt những thay đổi trong tổ chức của màng liên quan đến căng thẳng tế bào và quá trình lên men kém hiệu quả hơn.
Bằng cách xác định lần đầu tiên các cơ chế độc tính cụ thể, các nhà khoa học có thể, ví dụ, hướng tới việc phát triển các chủng vi khuẩn có màng mạnh hơn, có khả năng chống chịu tốt hơn, xác định các vi sinh vật có khả năng chịu đựng butanol tốt hơn hoặc phát triển các phương pháp khác để giảm tình trạng màng mỏng.
Nơtron, mô phỏng phơi bày tác động độc tính
Các nhà nghiên cứu đã điều tra các quá trình xảy ra trong quá trình lên men bằng cách sử dụng thiết bị Phân tán nơtron góc nhỏ sinh học, hay Bio-SANS, một phần của Trung tâm Sinh học phân tử cấu trúc, hay CSMB, đặt tại Lò phản ứng đồng vị thông lượng cao, một cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học DOE. Sử dụng nơtron cho phép thử nghiệm không phá hủy mô phỏng màng, cho phép các nhà khoa học nhìn thấy cấu trúc và sự sắp xếp của các phân tử. Thiết bị này được hỗ trợ bởi Bộ phận Khoa học hệ thống sinh học của chương trình Nghiên cứu sinh học và môi trường DOE.
Các nơtron do lò phản ứng tạo ra đã thăm dò các chi tiết của mẫu, cho thấy kích thước miền màng tăng lên khi lượng butanol tăng lên và phát hiện ra hiệu ứng làm mỏng màng.
Bio-SANS đã cung cấp cho các nhà khoa học khả năng "nhìn vào những gì đang xảy ra ở thang đo chiều dài nanomet đối với cấu trúc của màng", Jon Nickels, nhà nghiên cứu chính của dự án và phó giáo sư kỹ thuật hóa học và môi trường tại Đại học Cincinnati cho biết.
Hugh O'Neill, cộng tác viên dự án và giám đốc CSMB tại ORNL cho biết, thiết bị "có thể xác định được butanol đi đâu trong màng". "Điều đó khó thực hiện hơn nhiều với tia X, cho phép bạn nhìn thấy độ dày tổng thể. Nơtron cho phép bạn thăm dò bên trong màng để giúp xác định cách butanol được phân phối".
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tận dụng các mô phỏng động lực học phân tử, một phương pháp dựa trên máy tính tính toán cách các nguyên tử và phân tử di chuyển và tương tác theo thời gian, để có được cái nhìn chi tiết, động về hành vi phân tử. Các mô phỏng hỗ trợ các quan sát thực nghiệm và tiết lộ thông tin chi tiết về cách butanol tích tụ tại giao diện miền màng.
Các mô phỏng được chạy trên siêu máy tính tại Trung tâm máy tính khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia, một cơ sở người dùng của Văn phòng khoa học DOE tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley. Nickels cho biết, kết quả cung cấp "một bức tranh nguyên tử hoàn chỉnh có thể cho chúng ta biết rất nhiều về các hệ thống này và hướng dẫn các thí nghiệm trong tương lai".
"Đây có thể là một cơ chế cơ bản mới cho độc tính của dung môi, trong đó dung môi không phải phá vỡ màng 'khối lượng lớn' mà thay vào đó, nhắm vào một điểm 'yếu' trên màng—giao diện miền", Brian Davison, nhà khoa học trưởng về sinh học hệ thống và công nghệ sinh học và là người đứng đầu SFA nhiên liệu sinh học tại ORNL cho biết.
Tận dụng chuyên môn sinh học, các công cụ khoa học lớn
Dự án butanol là "bước quan trọng trong việc thử nghiệm một giả thuyết mới về cách rượu tương tác với các tế bào trong quá trình lên men. Chúng tôi đã nghiên cứu cơ sở sinh học vật lý cho giả thuyết này và hiện chúng tôi đã chứng minh được rằng nó kiểm tra về mặt vật lý", Nickels cho biết.
phát hiện "cung cấp cho chúng tôi những mục tiêu mới để giảm ảnh hưởng của các sản phẩm lên men này", Luoxi Tan, tác giả đầu tiên và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại ORNL cho biết. "Bây giờ chúng tôi biết cách đặt câu hỏi liệu các miền màng ổn định hơn có thể làm giảm đáng kể căng thẳng tế bào trong quá trình lên men hay không, dẫn đến quá trình chuyển đổi hiệu quả hơn và nồng độ butanol cao hơn".
"Năng lực khoa học neutron và chuyên môn sâu rộng của ORNL về sinh học và khoa học tính toán là chìa khóa cho dự án này", Davison cho biết. "Cấu trúc SFA cho phép thành lập một 'Nhóm A' đa ngành dẫn đến việc phân tích đầy đủ quy trình. Bạn có thể 'chỉ' có sự tán xạ neutron cho thấy kích thước miền đang tăng lên. Nhưng nếu không có mô phỏng động lực học phân tử, bạn sẽ không hiểu tại sao".
Nickels nói thêm rằng dự án này đại diện cho sự hợp tác thành công giữa học viện và các phòng thí nghiệm quốc gia của DOE. "ORNL có một bộ năng lực và chuyên môn lý tưởng để nghiên cứu cấu trúc của màng tế bào", ông cho biết. "Sau khi hoàn tất phân tích bằng neutron, bạn có thể phát triển các mô hình phù hợp với dữ liệu và trích xuất những thông tin như phân chia màng của rượu để có cấu trúc phân tử có độ chính xác cao."
