Thông tin mới về cách vi khuẩn ăn chất thải tiêu hóa cacbon phức tạp có thể dẫn đến tái chế nhựa, chất thải thực vật

Thông tin mới về cách vi khuẩn ăn chất thải tiêu hóa cacbon phức tạp có thể dẫn đến tái chế nhựa, chất thải thực vật

    Thông tin mới về cách vi khuẩn ăn chất thải tiêu hóa cacbon phức tạp có thể dẫn đến tái chế nhựa, chất thải thực vật

    bacterium
    Ảnh: Pixabay/CC0


    Một loại vi khuẩn phổ biến trong môi trường, Comamonas testosteroni, một ngày nào đó có thể trở thành trung tâm tái chế nhựa của tự nhiên. Trong khi hầu hết vi khuẩn thích ăn đường, thì thay vào đó, C. testosteroni lại thích ăn chất thải phức hợp từ thực vật và nhựa.

    Trong một nghiên cứu mới do Đại học Northwestern đứng đầu, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã giải mã được cơ chế trao đổi chất cho phép C. testosteroni tiêu hóa những thứ dường như không thể tiêu hóa được. Thông tin mới này có khả năng dẫn đến các nền tảng công nghệ sinh học mới khai thác vi khuẩn để giúp tái chế chất thải nhựa.

    Nghiên cứu được công bố vào ngày 6 tháng 2 trên tạp chí Nature Chemical Biology.

    Các loài Comamonas được tìm thấy ở hầu hết mọi nơi—kể cả trong đất và bùn thải. C. testosteroni lần đầu tiên thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu với khả năng tiêu hóa tự nhiên các chất tẩy giặt tổng hợp. Sau khi phân tích sâu hơn, các nhà khoa học phát hiện ra rằng loại vi khuẩn tự nhiên này cũng phân hủy các hợp chất từ ​​nhựa và lignin (chất thải dạng sợi, gỗ từ thực vật).

    Mặc dù các nhà nghiên cứu khác đã nghiên cứu chế tạo vi khuẩn có thể phân hủy rác thải nhựa, nhưng Ludmilla Aristilde của Northwestern tin rằng vi khuẩn có khả năng tiêu hóa nhựa tự nhiên hứa hẹn nhiều ứng dụng tái chế quy mô lớn hơn.

    Aristilde cho biết: “Vi khuẩn đất cung cấp một nguồn phản ứng sinh hóa tự nhiên chưa được khai thác, chưa được khám phá và có thể được khai thác để giúp chúng ta xử lý chất thải tích tụ trên hành tinh của chúng ta”. "Chúng tôi thấy rằng quá trình trao đổi chất của C. testosteroni được điều chỉnh ở các cấp độ khác nhau và các cấp độ đó được tích hợp với nhau. Sức mạnh của vi sinh học thật đáng kinh ngạc và có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết lập nền kinh tế tuần hoàn."

    Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Aristilde, phó giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern, và Ph.D. sinh viên Rebecca Wilkes, tác giả đầu tiên của bài báo. Nghiên cứu bao gồm các cộng tác viên từ Đại học Chicago, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge và Đại học Kỹ thuật Đan Mạch.

    đá đường
    Hầu hết các dự án chế tạo vi khuẩn đều liên quan đến Escherichia Coli vì đây là sinh vật mô hình vi khuẩn được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất. Nhưng E. Coli, ở trạng thái tự nhiên, dễ dàng tiêu thụ nhiều dạng đường khác nhau. Miễn là có đường, E. Coli sẽ tiêu thụ nó — và để lại các hóa chất nhựa.

    Aristilde cho biết: “Việc tạo ra vi khuẩn cho các mục đích khác nhau là một quá trình tốn nhiều công sức. "Điều quan trọng cần lưu ý là C. testosteroni không thể sử dụng đường. Nó có những giới hạn di truyền tự nhiên ngăn cản sự cạnh tranh với đường, khiến vi khuẩn này trở thành một nền tảng hấp dẫn."

    Tuy nhiên, điều mà C. testosteron thực sự muốn là một nguồn carbon khác. Và các vật liệu như nhựa và lignin chứa các hợp chất có vòng nguyên tử carbon ngon. Trong khi các nhà nghiên cứu đã biết rằng C. testosteroni có thể tiêu hóa các hợp chất này, Aristilde và nhóm của cô muốn biết làm thế nào.

    Aristilde nói: “Đây là những hợp chất cacbon có liên kết hóa học phức tạp. "Nhiều vi khuẩn rất khó phân tách chúng ra."

    Kết hợp các 'omics' khác nhau
    Để nghiên cứu cách thức C. testosteron phân hủy các dạng carbon phức tạp này, Aristilde và nhóm của cô đã kết hợp nhiều hình thức phân tích dựa trên omics: phiên mã (nghiên cứu về các phân tử RNA); proteomics (nghiên cứu về protein); metabolomics (nghiên cứu các chất chuyển hóa); và fluxomics (nghiên cứu các phản ứng trao đổi chất). Các nghiên cứu đa omic toàn diện là những công việc lớn đòi hỏi nhiều kỹ thuật khác nhau. Aristilde đứng đầu một trong số ít phòng thí nghiệm thực hiện các nghiên cứu toàn diện như vậy.

    Bằng cách kiểm tra mối quan hệ giữa phiên mã, proteomics, chất chuyển hóa và chất thông lượng, Aristilde và nhóm của cô đã lập bản đồ các con đường trao đổi chất mà vi khuẩn sử dụng để phân hủy các hợp chất nhựa và lignin thành carbon làm thức ăn. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng trước tiên vi khuẩn sẽ phá vỡ vòng cacbon trong mỗi hợp chất. Sau khi phá vỡ chiếc nhẫn thành một cấu trúc tuyến tính, vi khuẩn tiếp tục phân hủy nó thành những mảnh ngắn hơn.

    Aristilde giải thích: “Chúng tôi bắt đầu với một hợp chất dẻo hoặc lignin có 7 hoặc 8 nguyên tử cacbon liên kết với nhau thông qua một lõi hình tròn gồm 6 nguyên tử carbon tạo thành cái gọi là vòng benzen. "Sau đó, chúng phá vỡ nó thành các chuỗi ngắn hơn có ba hoặc bốn carbon. Trong quá trình này, vi khuẩn đưa các sản phẩm bị phân hủy đó vào quá trình trao đổi chất tự nhiên của chúng, để chúng có thể tạo ra axit amin hoặc DNA để giúp chúng phát triển."

    Tái chế rác thải nhựa
    Aristilde cũng phát hiện ra rằng C. testosteroni có thể định hướng carbon thông qua các tuyến trao đổi chất khác nhau. Các lộ trình này có thể dẫn đến các sản phẩm phụ hữu ích có thể được sử dụng cho các polyme liên quan đến công nghiệp như nhựa. Aristilde và nhóm của cô hiện đang thực hiện một dự án điều tra quá trình trao đổi chất kích hoạt quá trình sinh tổng hợp polyme này.

    "Những loài Comamonas này có tiềm năng Aristilde cho biết: "Điều này có thể dẫn đến các nền tảng mới tạo ra nhựa, giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào hóa chất dầu mỏ. Một trong những mục tiêu chính của phòng thí nghiệm của tôi là sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo, chẳng hạn như chuyển đổi chất thải thành nhựa và tái chế chất dinh dưỡng từ chất thải. Sau đó, chúng ta sẽ không phải tiếp tục chiết xuất hóa chất từ dầu mỏ để sản xuất nhựa chẳng hạn."

    Aristilde là thành viên của Viện Năng lượng và Bền vững tại Chương trình về Nhựa, Hệ sinh thái và Sức khỏe Cộng đồng của Northwestern.

    Nghiên cứu "Quy định phức tạp trong nền tảng Comamonas để chuyển hóa carbon thơm đa dạng" được đăng trên tạp chí Nature Chemical Biology.

    Zalo
    Hotline