Báo cáo khoa học được đăng trên tạp chí Nature Communications cho biết, một nhóm nhà khoa học thuộc Đại học Bang Washington và Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng  (PNNL) chứng minh được enzyme nhân tạo thành công trong việc tiêu hóa lignin, rất bền vững trước những thử nghiệm biến polymer này thành nguồn năng lượng hữu ích về kinh tế.

Lignin, nguồn carbon tái tạo dồi dào thứ hai trên Trái đất, hầu hết bị thải ra làm nhiên liệu. Khi đốt củi để nấu nướng, nhưng sản phẩm phụ của lignin truyền hương vị khói vào thực phẩm. Nhưng đốt cháy củi giải phóng tất cả lượng carbon trong cây vào khí quyển thay vì thu giữ cho các mục đích sử dụng khác.

Các nhà nghiên cứu Xiao Zhang (trái) và Chun-long Chen (phải) kiểm tra các sản phẩm quá trình tiêu hóa lignin bằng chất xúc tác peptoid mô phỏng sinh học mới. Ảnh của Andrea Starr, Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương.

Tác giả báo cáo khoa học Xiao Zhang, PGS tại Trường Kỹ thuật Hóa học và Kỹ thuật Sinh học Linda Voiland thuộc WSU cho biết, enzyme mô phỏng sinh học có khả năng phân hủy lignin thực, đây là một phát hiện đột phá, Zhang đã phối hợp với PNNL để phát triển một loại chất xúc tác mới nhằm giải quyết những hạn chế của chất xúc tác sinh học và hóa học.

Lignin có trong tất cả các thực vật có mạch, tạo nên thành tế bào và cung cấp độ cứng cho cây. Lignin cho phép cây đứng vững, hình thành độ cứng của thực vật và chiếm khoảng 20-35% trọng lượng gỗ. Do lignin chuyển sang màu vàng khi tiếp xúc với không khí, ngành sản xuất sản phẩm gỗ sẽ loại bỏ như một phần của quy trình sản xuất giấy. Sau khi loại bỏ, lignin thường bị đốt cháy để sản xuất nhiên liệu và điện.

Các nhà hóa học nỗ lực tìm kiếm giải pháp sử dụng lignin để tạo ra những sản phẩm có giá trị và thất bại. Với enzyme nhân tạo mới, thực tế này có thể sắp thay đổi.

Enzyme nhân tạo tốt hơn enzyme tự nhiên

Chun-Long Chen, GS kỹ thuật hóa học tại Đại học Washinton, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương giải thích, đây là loại enzyme mô phỏng tự nhiên đầu tiên có thể tiêu hóa lignin hiệu quả để tạo ra những hợp chất hóa học, có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh học và sản xuất hóa chất.

Trong tự nhiên, nấm và vi khuẩn có thể phân hủy lignin bằng các enzyme, do đó một khúc gỗ phủ đầy nấm sẽ phân hủy trong rừng. Enzyme cung cấp một quá trình phân hủy lành tính với môi trường so với quá trình phân hủy hóa học, đòi hỏi nhiệt lượng cao và tiêu thụ nhiều năng lượng.

Gỗ lignin, được nhìn thấy ở đây ở dạng tinh khiết trở thành nhiên liệu sinh học tái tạo, nếu được phân hủy thành các chất hữu ích. Ảnh của Andrea Starr, Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương.

Nhưng các enzyme tự nhiên cũng bị phân hủy theo thời gian, khó sử dụng trong quy trình công nghiệp đồng thời có giá thành cao.

Rất khó để sản xuất các enzyme từ vi sinh vật với số lượng đủ lớn để sử dụng trong thực tế. Sau khi tách ra khỏi vật chủ, các enzyme rất mong manh và không ổn định. Nhưng những enzym này hình thành các mô hình để các nhà khoa học sao chép thiết kế cơ bản. Các nhà nghiên cứu cũng hiểu được cơ chế hoạt động của các enzyme tự nhiên, những thách thức và rào cản khi ứng dụng các enzym phân giải lignin, giúp các nhà khoa học thiết kế các enzyme mô phỏng sinh học.

Giàn giáo peptoid là vấn đề then chốt cho enzyme sinh học nhân tạo

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học thay thế các peptit, bao quanh vị trí hoạt động của các enzyme tự nhiên bằng những phân tử giống protein, được gọi là peptoid.

Các peptoid này tự lắp ráp thành các ống và tấm tinh thể kích thước nano. Peptoids lần đầu tiên được phát triển vào những năm 1990, mô phỏng chức năng của protein. Những peptoid có một số tính năng độc đáo, bao gồm tính ổn định cao, cho phép các nhà khoa học giải quyết những khiếm khuyết của các enzyme tự nhiên.  Trong trường hợp này, peptoid cung cấp mật độ cao các vị trí hoạt động, điều mà enzyme tự nhiên không thể có được.

Nhóm nghiên cứu đã tổ chức chính xác các vị trí đang hoạt động và điều chỉnh môi trường cục bộ cho hoạt động xúc tác với mật độ các vị trí hoạt động cao hơn nhiều, thay vì chỉ có một vị trí đang hoạt động. Đồng thời các enzyme nhân tạo ổn định và mạnh hơn nhiều so với các phiên bản tự nhiên, có thể hoạt động trong môi trường nhiệt độ lên đến 60 độ C (140 độ F), có thể phá hủy một loại enzyme tự nhiên. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc chuyển đổi lignin thành các sản phẩm có giá trị bằng phương pháp thân thiện với môi trường.”

Các enzyme mô phỏng sinh học mới có thể được hoàn thiện hơn nữa để tăng năng suất chuyển đổi, tạo ra các sản phẩm chọn lọc theo yêu cầu, có tiềm năng mở rộng ở quy mô công nghiệp. Công nghệ mở ra khả năng sản xuất các vật liệu tái tạo cho nhiên liệu sinh học hàng không và vật liệu trên cơ sở sinh học để sản xuất các sản phẩm giá trị cao.