Ngày 29 tháng 10 năm 2024
Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã phát hiện ra một chủng vi khuẩn lam mới, “Chonkus”, có khả năng cô lập carbon vượt trội và có thể cách mạng hóa ngành sản xuất sinh học.
Nằm tách biệt khỏi các lỗ thông hơi núi lửa ngoài khơi Sicily, Chonkus phát triển dày đặc và lắng xuống nhanh chóng, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp và giảm thiểu carbon cho môi trường.
Một chủng tảo mới để cô lập carbon
Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đến từ Hoa Kỳ và Ý đã phát hiện ra một chủng vi khuẩn lam mới, hay tảo, phát triển mạnh trong vùng nước giàu CO2 và chìm tự nhiên, khiến nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho quá trình cô lập carbon và sản xuất bền vững các hợp chất có giá trị. Được đặt tên là "Chonkus", chủng này được tìm thấy ngoài khơi bờ biển Vulcano, một hòn đảo ở Sicily, Ý, nơi các lỗ thông hơi núi lửa nông làm giàu môi trường biển bằng CO2 . Phát hiện này được trình bày chi tiết trong một bài báo mới được công bố hôm nay (ngày 29 tháng 10) trên tạp chí Applied Environmental Microbiology .
“Cacbon hòa tan tương đối loãng so với tất cả các phân tử khác trong đại dương, và điều đó hạn chế sự phát triển của các sinh vật quang hợp sống ở đó. Chúng tôi quyết định tìm hiểu điều gì xảy ra khi bạn giảm bớt yếu tố hạn chế đó bằng cách đến một nơi có nhiều cacbon, nơi một số sinh vật có thể đã tiến hóa khả năng sử dụng nó để thúc đẩy sự phát triển của chúng”, đồng tác giả Max Schubert, Tiến sĩ, một nhà khoa học tại Viện Wyss thuộc Đại học Harvard khi công trình được tiến hành và hiện là Nhà khoa học dự án chính tại Align to Innovate cho biết. “Chủng vi khuẩn lam tự nhiên này có một số đặc điểm có thể hữu ích cho con người, bao gồm khả năng sinh trưởng dày đặc và xu hướng chìm tự nhiên trong nước, khiến Chonkus trở thành một sinh vật đặc biệt thú vị cho công trình nghiên cứu trong tương lai về quá trình khử cacbon và sản xuất sinh học”.
Từ Biển Nông Đến Bàn Thí Nghiệm
Schubert và tác giả liên lạc Braden Tierney, Tiến sĩ lần đầu gặp nhau khi là hàng xóm ngồi ghế trong phòng thí nghiệm của Tiến sĩ George Church, thành viên Khoa Wyss Core chín năm trước, nhưng không bắt đầu hợp tác cho đến khi cả hai sau đó làm việc tại Trường Y Harvard (HMS) vào năm 2016. Schubert, một nhà vi sinh vật học quan tâm đến việc xây dựng các công cụ để tiến hóa có định hướng của vi khuẩn và bộ gen của chúng, đã gửi đề xuất tới Hội nghị chuyên đề về Biến đổi khí hậu năm 2019 của HMS Consortium for Space Genetics để đưa công trình này vào vi khuẩn lam. Ông đã giành được giải thưởng cao nhất, giải thưởng này đã tài trợ cho những nỗ lực ban đầu của ông trong việc áp dụng các công cụ của mình vào vi khuẩn lam để nghiên cứu tiềm năng của chúng trong việc giúp cố định và cô lập carbon.
Trong khi đó, Tierney, khi đó là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ được cố vấn bởi Church, cố vấn của Schubert, đã nhận được một bài báo từ một người bạn về các vết rò rỉ nông — các khu vực trên đáy đại dương nơi khí rò rỉ vào nước nhưng đủ nông để nhận được ánh sáng mặt trời — và nhận ra rằng có thể có các vi khuẩn quang hợp sống trong những môi trường đó đã tiến hóa để có khả năng thu giữ CO 2 hòa tan từ nước. Ông đã kết nối với Marco Milazzo, Tiến sĩ và Paola Quatrini, Tiến sĩ, cả hai đều là giáo sư tại Đại học Palermo ở Sicily, những người đang tích cực nghiên cứu các vết rò rỉ nông gần đó, có thể tiếp cận được. Tierney đã bảo đảm tài trợ cho một chuyến thám hiểm thu thập từ SeedLabs và liên hệ với Schubert để được giúp đỡ tìm hiểu và làm việc với vi khuẩn lam có thể có trong môi trường đó.
Tierney và Schubert đã tập hợp một liên minh cuối cùng bao gồm các nhà khoa học từ Viện Wyss, HMS, Cao đẳng Y khoa Weill Cornell, Đại học Tiểu bang Colorado, Đại học Wisconsin-Madison, MIT, Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia ở Colorado và nhiều tổ chức khác ở Palermo, Ý. Nhóm đã tiến hành một cuộc thám hiểm thực địa đến vùng biển ngoài khơi bờ biển Vulcano, nơi họ mặc bộ đồ lặn SCUBA và thu thập các mẫu nước từ một vết rò rỉ nông giàu CO2 . Sau đó, họ vận chuyển các ống nước biển qua Đại Tây Dương đến Boston, nơi các nhà khoa học do Schubert dẫn đầu đã phân lập và mô tả các vi khuẩn sống trong các mẫu.
Tiết lộ Chonkus: Tiềm năng sản xuất sinh học và thu giữ carbon
Để thúc đẩy vi khuẩn lam mục tiêu phát triển, các nhà nghiên cứu đã sao chép các điều kiện mà vi khuẩn lam phát triển nhanh sẽ phát triển mạnh: nhiệt độ ấm, nhiều ánh sáng và nhiều CO2 . Sau khi phân lập từ các nuôi cấy làm giàu, hai chủng vi khuẩn lam phát triển nhanh đã được phát hiện: UTEX 3221 và UTEX 3222. Nhóm nghiên cứu đã chọn tập trung vào UTEX 3222 do sự phát triển đơn bào của nó, giúp dễ so sánh hơn với các chủng vi khuẩn lam hiện có.
UTEX 3222 tạo ra các khuẩn lạc lớn hơn các chủng vi khuẩn lam phát triển nhanh đã biết khác và các tế bào riêng lẻ của nó cũng lớn hơn - do đó có biệt danh là Chonkus. Nó cũng phát triển đến mật độ cao hơn các chủng hiện có, dường như chứa các hạt lưu trữ chứa carbon trong các tế bào của nó và có hàm lượng carbon tổng thể cao hơn các chủng khác: tất cả các đặc điểm có giá trị tiềm năng cho các ứng dụng như cô lập carbon và sản xuất sinh học. Điều thú vị nhất là Chonkus nhanh chóng lắng xuống thành một viên đặc giống như "bơ đậu phộng xanh" ở đáy ống mẫu của nó, trong khi các chủng khác vẫn lơ lửng. Hành vi này đặc biệt có giá trị đối với quá trình chế biến công nghiệp, vì việc cô đặc và sấy khô sinh khối hiện chiếm 15-30% chi phí sản xuất.
Khám phá các ứng dụng thương mại và môi trường
Tierney cho biết: “Nhiều đặc điểm mà chúng tôi quan sát thấy ở Chonkus không hữu ích trong môi trường tự nhiên của chúng, nhưng lại rất hữu ích đối với con người. Các sinh vật dưới nước phát triển tự nhiên ở mật độ rất thấp, nhưng khả năng phát triển đến mật độ cao ở nhiệt độ cao hơn rất hữu ích trong môi trường công nghiệp mà chúng ta sử dụng để sản xuất nhiều hàng hóa và sản phẩm, và có thể giúp cô lập nhiều carbon hơn”. “Có một lượng lớn sự đa dạng của vi khuẩn tồn tại ngoài kia trên thế giới và chúng tôi tin rằng việc tìm kiếm các vi khuẩn đã tiến hóa để thành công trong môi trường liên quan đến con người sẽ hiệu quả hơn là cố gắng chế tạo tất cả các đặc điểm mà chúng ta muốn vào vi khuẩn E. coli được nuôi trong phòng thí nghiệm ”.
Nhóm nghiên cứu rất hào hứng về nhiều ứng dụng có thể được giải quyết bằng Chonkus hoặc các phiên bản vi khuẩn đã được sửa đổi. Nhiều tổ chức đang nghiên cứu việc sử dụng các sinh vật phát triển nhanh để cô lập carbon và Chonkus một ngày nào đó có thể gia nhập hàng ngũ của họ. Một số sản phẩm hiện đang được sản xuất từ tảo, như axit béo omega-3, chất chống oxy hóa astaxanthin và tảo xoắn, và có thể được sản xuất hiệu quả hơn trong một chủng phát triển nhanh và dày đặc. Và thực tế là vi khuẩn lam trực tiếp thu thập carbon từ môi trường của chúng để phát triển có nghĩa là chúng có thể kết hợp các quá trình cô lập carbon và sản xuất sinh học với nhau trong một sinh vật duy nhất. Các mẫu UTEX 3222 và UTEX 3221 được bảo quản đông lạnh và công khai để các nhà nghiên cứu khác sử dụng từ Bộ sưu tập nuôi cấy tảo tại Đại học Texas, Austin.
Mở rộng biên giới nghiên cứu: Dự án Hai biên giới
Lấy cảm hứng từ thành công của chuyến thám hiểm đầu tiên, Tierney đã đồng sáng lập một tổ chức phi lợi nhuận với các đồng tác giả bài báo Krista Ryon và James Henriksen có tên là Dự án Hai Biên giới, nhằm mục đích nghiên cứu cách sự sống phát triển trong môi trường khắc nghiệt thông qua các chuyến thám hiểm khoa học thế hệ tiếp theo. Nhóm đã hoàn thành các chuyến thám hiểm tiếp theo đến các suối nước nóng ở Colorado, Smoking Lands ở Biển Tyrrhenian, các rạn san hô ở Biển Đỏ và những nơi khác. Tổ chức này tập trung vào các vi khuẩn có công dụng cho ba ứng dụng chính: thu giữ carbon, tái chế CO2 thành các sản phẩm bền vững và phục hồi hệ sinh thái san hô.
Tận dụng các giải pháp của thiên nhiên
“Những đặc điểm vốn có trong các chủng vi khuẩn lam tiến hóa tự nhiên được mô tả trong nghiên cứu này có tiềm năng được sử dụng trong cả công nghiệp và môi trường, bao gồm sản xuất sinh học các sản phẩm hữu ích có nguồn gốc từ carbon hoặc đưa một lượng lớn carbon xuống đáy đại dương. Mặc dù có thể thực hiện thêm các sửa đổi để tăng cường khả năng của các vi khuẩn này, nhưng việc khai thác hàng tỷ năm tiến hóa là một bước tiến đáng kể trong nhu cầu cấp thiết của nhân loại nhằm giảm thiểu và đảo ngược biến đổi khí hậu”, Church, cũng là Giáo sư Di truyền học Robert Winthrop tại HMS và Giáo sư Khoa học và Công nghệ Sức khỏe tại Harvard và MIT, cho biết. “Nhưng điều rất quan trọng là 'xây dựng dây an toàn trước khi bạn chế tạo ô tô' - phòng thí nghiệm của chúng tôi cũng nghiên cứu các phương pháp tiếp cận sinh học giúp ngăn chặn và kiểm soát các loại thí nghiệm này”.
“Viện Wyss được thành lập dựa trên niềm tin rằng Thiên nhiên là nguồn sáng tạo tốt nhất trên hành tinh và việc noi theo các nguyên tắc của nó chính là chìa khóa để tạo ra tác động tích cực. Tôi tự hào về nhóm này vì đã thoát khỏi phòng thí nghiệm và tìm kiếm những ý tưởng tuyệt vời nhất của Thiên nhiên nơi họ đã phát triển. Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách Sáng kiến Tương lai Bền vững mới của chúng tôi đang theo đuổi các phương pháp tiếp cận sáng tạo để đối mặt với biến đổi khí hậu — thách thức lớn nhất của thế hệ chúng ta”, Giám đốc sáng lập Wyss Don Ingber, Tiến sĩ, Tiến sĩ, cũng là Giáo sư Judah Folkman về Sinh học mạch máu tại HMS và Bệnh viện Nhi Boston và Giáo sư Hansjörg Wyss về Kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học tại Trường Kỹ thuật và Khoa học ứng dụng John A. Paulson của Harvard cho biết.
Tài liệu tham khảo: “Vi khuẩn lam mới phân lập từ các vết rò rỉ núi lửa biển cho thấy khả năng chìm nhanh và tăng trưởng mạnh mẽ, mật độ cao” của Max G. Schubert, Tzu-Chieh Tang, Isabella M. Goodchild-Michelman, Krista A. Ryon, James R. Henriksen, Theodore Chavkin, Yanqi Wu, Teemu P. Miettinen, Stefanie Van Wychen, Lukas R. Dahlin, Davide Spatafora, Gabriele Turco, Michael T. Guarnieri, Scott R. Manalis, John Kowitz, Elizabeth C. Hann, Raja Dhir, Paola Quatrini, Christopher E. Mason, George M. Church, Marco Milazzo và Braden T. Tierney, ngày 29 tháng 10 năm 2024, Vi sinh vật ứng dụng và môi trường .
DOI: 10.1128/aem.00841-24
Các tác giả khác của bài báo bao gồm Tzu-Chieh Tang, Isabella Goodchild-Michelman, Krista Ryon, James Henriksen, Theodore Chavkin, Yanqi Wu, Teemu Miettinen, Stefanie Van Wychen, Lukas Dahlin, Davide Spatafora, Gabriele Turco, Michael Guarnieri, Scott Manalis, John Kowitz, Raja Dhir, Paola Quatrini, Christopher Mason và Marco Milazzo.
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) theo khoản tài trợ số DE-FG02-02ER63445 và giải thưởng số MCB-2037995 của Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), Phòng thí nghiệm SEED, Quỹ WorldQuant, Đơn vị Máy tính Khoa học (SCU) tại Trường Y Weill Cornell và Mạng lưới CO2 Natural Analogues Quốc tế (ICONA).
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
