Vi khuẩn tạo ra các hóa chất trung hòa khí hậu trong tương lai
Các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich đã thiết kế vi khuẩn trong phòng thí nghiệm để sử dụng metanol một cách hiệu quả. Giờ đây, quá trình trao đổi chất của những vi khuẩn này có thể được khai thác để tạo ra các sản phẩm có giá trị hiện được ngành công nghiệp hóa chất tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch.
Vi khuẩn ăn metanol và sản xuất hóa chất bền vững (Minh họa: Sean Kilian)
Tóm lại
Metanol có thể được tổng hợp từ carbon dioxide và nước bằng năng lượng tái tạo.
Khi metanol xanh này được chuyển hóa bởi vi khuẩn chuyên biệt, nhiều loại chất hóa học có thể được sản xuất bằng công nghệ sinh học.
Việc ứng dụng các vi khuẩn này có thể cho phép ngành công nghiệp hóa chất chuyển đổi khí carbon dioxide nhà kính thành các hóa chất có giá trị trung hòa khí hậu và giảm đáng kể dấu chân sinh thái của nó.
Để sản xuất các loại hóa chất khác nhau như nhựa, thuốc nhuộm hoặc hương liệu nhân tạo, ngành công nghiệp hóa chất hiện phụ thuộc rất nhiều vào các nguồn tài nguyên hóa thạch như dầu thô. Julia Vorholt, Giáo sư tại Viện Vi sinh tại ETH Zurich cho biết: “Trên toàn cầu, nó tiêu thụ 500 triệu tấn mỗi năm, hoặc hơn một triệu tấn mỗi ngày”. “Vì những quá trình chuyển đổi hóa học này tiêu tốn nhiều năng lượng nên lượng khí thải CO2 thực sự của ngành hóa chất thậm chí còn lớn hơn từ sáu đến mười lần, chiếm khoảng 5% tổng lượng khí thải trên toàn cầu.” Cô và nhóm của mình đang tìm cách giảm sự phụ thuộc của ngành hóa chất vào nhiên liệu hóa thạch.
Metanol xanh
Vi khuẩn ăn metanol, được gọi là methylotrophs, là trung tâm của những nỗ lực này. Chỉ chứa một nguyên tử carbon duy nhất, metanol là một trong những phân tử hữu cơ đơn giản nhất và có thể được tổng hợp từ khí nhà kính carbon dioxide và nước. Nếu năng lượng cho phản ứng tổng hợp này đến từ các nguồn tái tạo thì metanol được gọi là “xanh”.
Michael Reiter, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu của Vorholt, cho biết: “Có những vi khuẩn methylotrophs tự nhiên, nhưng việc sử dụng chúng trong công nghiệp vẫn còn khó khăn mặc dù đã có nỗ lực nghiên cứu đáng kể”. Nhóm của Vorholt đã theo đuổi ý tưởng trang bị cho vi khuẩn mô hình phát triển trên đường khả năng chuyển hóa metanol trong vài năm.
Tái cơ cấu hoàn toàn quá trình trao đổi chất
Vorholt cho biết: “Đây là một thách thức lớn vì nó đòi hỏi phải tái cơ cấu hoàn toàn quá trình trao đổi chất của tế bào”. Ban đầu, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng sự thay đổi này bằng mô hình máy tính. Dựa trên những mô phỏng này, họ đã chọn hai gen để loại bỏ và ba gen mới để đưa vào. Reiter cho biết: “Kết quả là vi khuẩn có thể hấp thụ metanol, mặc dù chỉ với số lượng nhỏ”.
Họ tiếp tục phát triển vi khuẩn trong điều kiện đặc biệt trong phòng thí nghiệm trong hơn một năm cho đến khi vi khuẩn có thể sản xuất tất cả các thành phần tế bào từ metanol. Trải qua khoảng 1.000 thế hệ nữa, những sinh vật methylotroph tổng hợp này ngày càng trở nên hiệu quả hơn, cuối cùng tăng gấp đôi sau mỗi bốn giờ khi chỉ được nuôi bằng metanol. Vorholt cho biết: “Tốc độ tăng trưởng được cải thiện khiến vi khuẩn trở nên thú vị về mặt kinh tế”.
Tối ưu hóa thông qua mất chức năng
Như nhóm của Vorholt mô tả trong trang papercall_made được xuất bản gần đây bên ngoài của họ, một số đột biến xảy ra ngẫu nhiên là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng metanol. Hầu hết các đột biến này dẫn đến mất chức năng của nhiều gen khác nhau. Điều này thoạt nhìn có vẻ đáng ngạc nhiên, nhưng khi xem xét kỹ hơn, người ta thấy rõ rằng các tế bào có thể tiết kiệm năng lượng nhờ sự mất chức năng của gen. Ví dụ, một số đột biến làm thất bại các phản ứng nghịch của các phản ứng sinh hóa quan trọng. Các nhà nghiên cứu viết: “Điều này loại bỏ các chuyển đổi hóa học không cần thiết và tối ưu hóa dòng trao đổi chất trong tế bào”.
Lấy mẫu từ lò phản ứng sinh học với vi khuẩn methylotrophic.
Để khám phá tiềm năng của vi khuẩn methylotrophs tổng hợp để sản xuất công nghệ sinh học các hóa chất số lượng lớn có liên quan đến công nghiệp, Vorholt và nhóm của cô đã trang bị cho vi khuẩn các gen bổ sung cho bốn con đường sinh tổng hợp khác nhau. Trong nghiên cứu của họ, giờ đây họ cho thấy vi khuẩn thực sự tạo ra các hợp chất mong muốn trong mọi trường hợp.
Nền tảng sản xuất đa năng
Đối với các nhà nghiên cứu, đây là bằng chứng rõ ràng cho thấy vi khuẩn được thiết kế của họ có thể mang lại những gì đã hứa ban đầu: vi khuẩn là một loại nền tảng sản xuất rất linh hoạt trong đó các mô-đun sinh tổng hợp có thể được lắp vào theo nguyên tắc “cắm và chạy”, thúc đẩy vi khuẩn chuyển hóa metanol thành các chất sinh hóa mong muốn.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn cần tăng đáng kể năng suất và năng suất để có thể sử dụng vi khuẩn một cách hiệu quả về mặt kinh tế. Vorholt và nhóm của cô gần đây đã nhận được một quỹ đổi mới “để tiếp tục mở rộng các kế hoạch hướng tới các ứng dụng và chọn các sản phẩm cần tập trung trước tiên,” Vorholt cho biết.
Chu trình sản xuất các hóa chất tái tạo như nhựa bằng metanol-utilis vi khuẩn. (Đồ họa: ETH Zurich)
Khi Reiter nói về cách tối ưu hóa việc nuôi cấy vi khuẩn trong lò phản ứng sinh học, anh ấy tràn đầy nhiệt huyết. Ông nói: “Trước những thách thức của biến đổi khí hậu, rõ ràng là cần có những giải pháp thay thế cho tài nguyên hóa thạch. Reiter cho biết: “Chúng tôi đang phát triển một công nghệ không thải thêm CO2 vào khí quyển. Và vì các vi khuẩn methylotrophs tổng hợp, ngoài metanol xanh, không yêu cầu bất kỳ nguồn carbon bổ sung nào cho sự phát triển và sản phẩm của chúng, nên chúng cho phép “sản xuất các hóa chất tái tạo mà không gây gánh nặng cho môi trường”.
Thẩm quyền giải quyết
Reiter MA, Bradley T, Büchel LA, Keller P, Hegedis E, Gassler T, Vorholt JA: Escherichia coli tổng hợp methylotrophic làm khung cho sản xuất sinh học từ metanol. Nature Catalysis, ngày 23 tháng 4 năm 2024, doi: trang bên ngoài10.1038/s41929-024-01137-0call_made
