Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Cellulose, chất giúp tạo nên cấu trúc cứng chắc cho thành tế bào thực vật, hứa hẹn sẽ là nguyên liệu thô có thể tái tạo cho nhiên liệu sinh học - nếu các nhà nghiên cứu có thể đẩy nhanh quá trình sản xuất. So với quá trình phân hủy các vật liệu nhiên liệu sinh học khác như ngô, quá trình phân hủy cellulose diễn ra chậm và kém hiệu quả nhưng có thể tránh được những lo ngại về việc sử dụng nguồn thực phẩm trong khi tận dụng được nguồn nguyên liệu thực vật dồi dào có thể bị lãng phí. Nghiên cứu mới do các nhà điều tra của bang Pennsylvania dẫn đầu đã tiết lộ một số rào cản phân tử làm chậm quá trình này như thế nào.

Nghiên cứu gần đây nhất của nhóm, được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, mô tả quá trình phân tử mà cellobiose - một đoạn cellulose hai đường được tạo ra trong quá trình phân hủy cellulose - có thể làm tắc nghẽn đường ống và cản trở quá trình phân hủy cellulose tiếp theo.

Sản xuất nhiên liệu sinh học dựa vào sự phân hủy các hợp chất như tinh bột hoặc cellulose thành glucose, sau đó có thể lên men hiệu quả thành ethanol để sử dụng làm nhiên liệu hoặc chuyển đổi thành các vật liệu hữu ích khác. Các nhà nghiên cứu cho biết, lựa chọn nhiên liệu sinh học chủ yếu trên thị trường hiện nay được tạo ra từ ngô, một phần vì tinh bột của chúng dễ bị phân hủy. Charles Anderson, giáo sư sinh học tại Đại học Khoa học Eberly, bang Pennsylvania, tác giả của bài báo cho biết: “Có một số lo ngại về việc sử dụng ngô làm nguồn nhiên liệu sinh học, bao gồm cả việc cạnh tranh với nguồn cung lương thực toàn cầu và lượng lớn khí nhà kính được tạo ra khi sản xuất ethanol từ ngô. Một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn là phân hủy cenlulose từ các bộ phận không ăn được của thực vật như thân cây ngô, chất thải thực vật khác như tàn dư lâm nghiệp và các loại cây trồng chuyên dụng có thể trồng được trên vùng đất khó khăn. Nhưng một trong những điều quan trọng đã cản trở nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai khỏi khả năng cạnh tranh về mặt kinh tế là do quá trình phân hủy cenlulose hiện tại diễn ra chậm và không hiệu quả."

Chúng tôi đã sử dụng một kỹ thuật hình ảnh tương đối mới để khám phá các cơ chế phân tử làm chậm quá trình này”. Cellulose bao gồm các chuỗi glucose, được liên kết với nhau bằng liên kết hydro tạo thành cấu trúc tinh thể. Các nhà khoa học sử dụng enzyme gọi là cellulase, có nguồn gốc từ nấm hoặc vi khuẩn, để phân hủy nguyên liệu thực vật và chiết xuất glucose từ cenlulose. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết, cấu trúc tinh thể của cellulose kết hợp với các hợp chất khác gọi là xylan và lignin - cũng có trong thành tế bào - tạo thêm thách thức cho quá trình phân hủy cellulose. Tuy nhiên, các kỹ thuật truyền thống không thể tiết lộ cơ chế phân tử cụ thể của những sự chậm lại này. Để khám phá những cơ chế chưa rõ ràng này, các nhà nghiên cứu đã gắn thẻ hóa học cho từng cellulase bằng chất đánh dấu huỳnh quang. Sau đó, họ sử dụng kính hiển vi SCATTIRSTORM do nhóm thiết kế và chế tạo cho mục đích này để theo dõi các phân tử qua từng bước của quá trình phân hủy và diễn giải các video thu được bằng cách sử dụng quy trình tính toán và mô hình hóa sinh. Will Hancock, giáo sư kỹ thuật y sinh ở Đại học Kỹ thuật bang Pennsylvania và là tác giả của bài báo cho biết: “Các phương pháp truyền thống quan sát quá trình phân hủy ở quy mô lớn hơn, thao túng vị trí của enzyme một cách nhân tạo hoặc chỉ bắt giữ các phân tử đang chuyển động, điều đó có nghĩa là bạn có thể bỏ lỡ một số quá trình xảy ra tự nhiên. Bằng cách sử dụng kính hiển vi SCATTIRSTORM, chúng tôi có thể quan sát hoạt động của từng enzyme cellulase để thực sự hiểu được điều gì đang làm chậm quá trình này và tạo ra những ý tưởng mới về cách làm cho nó hiệu quả hơn."

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu tác dụng đặc biệt của enzyme cellulase của nấm có tên là Cel7A. Là một phần của quá trình phân hủy, Cel7A đưa cellulose vào một loại đường hầm phân tử, nơi nó được cắt nhỏ. Daguan Nong, trợ lý giáo sư nghiên cứu về kỹ thuật y sinh tại Đại học Kỹ thuật bang Pennsylvania và là tác giả chính của bài báo, cho biết: “Cel7A di chuyển chuỗi glucose đến ‘cửa trước’ của đường hầm, chuỗi này bị cắt và các sản phẩm đi ra ‘cửa sau’ theo một loại đường ống. Chúng tôi không chắc chắn chính xác làm thế nào enzyme đưa chuỗi glucose vào đường hầm hoặc chính xác những gì diễn ra bên trong, nhưng chúng tôi biết từ các nghiên cứu trước đây rằng sản phẩm đi ra cửa sau, cellobiose, có thể cản trở quá trình xử lý cellulose tiếp theo. Bây giờ, chúng tôi biết nhiều hơn về cách nó can thiệp." Trong đường hầm, Cel7A cắt nhỏ cellulose - có các đơn vị glucose lặp lại - thành các mảnh cellobiose hai đường. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cellobiose trong dung dịch có thể liên kết với “cửa sau” của đường hầm, điều này có thể làm chậm sự thoát ra của các phân tử cellobiose tiếp theo vì về cơ bản nó chặn đường. Ngoài ra, họ phát hiện ra rằng nó có thể liên kết với Cel7A gần cửa trước, ngăn chặn enzyme liên kết với cellulose bổ sung. Hancock cho biết: “Vì cellobiose rất giống với cellulose nên có lẽ không có gì đáng ngạc nhiên khi những mảnh nhỏ có thể lọt vào đường hầm. Bây giờ chúng ta đã hiểu rõ hơn về cách chính xác cellobiose làm hỏng mọi thứ, chúng ta có thể khám phá những cách mới để tinh chỉnh quá trình này. Ví dụ, chúng ta có thể thay đổi cửa trước hoặc cửa sau của đường hầm hoặc thay đổi các khía cạnh của enzyme Cel7A để ngăn chặn sự ức chế này hiệu quả hơn. Đã có rất nhiều công việc nhằm tạo ra các enzyme cellulase hiệu quả hơn trong hai thập kỷ qua và đó là một cách tiếp cận cực kỳ hiệu quả. Hiểu rõ hơn về cơ chế phân tử hạn chế sự phân hủy cellulose sẽ giúp chúng ta định hướng nỗ lực này." Nghiên cứu này xây dựng dựa trên công trình gần đây của nhóm nghiên cứu nhằm hiểu rõ các rào cản khác đối với quá trình phân hủy -- xylan và lignin -- mà họ đã công bố gần đây trên tạp chí RSC Sustainability and Biotechnology for Biofuels and Bioproducts. Nerya Zexer, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về sinh học tại Đại học Khoa học Eberly bang Pennsylvania và là tác giả chính của bài báo RSC Sustainability cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng xylan và lignin hoạt động theo những cách khác nhau để cản trở sự phân hủy cellulose. Xylan bao phủ cellulose, làm giảm tỷ lệ enzyme có thể liên kết và di chuyển cellulose. Lignin ức chế khả năng liên kết với cellulose cũng như sự chuyển động của enzyme, làm giảm vận tốc và khoảng cách của enzyme." Mặc dù đã có các chiến lược để loại bỏ các thành phần như xylan và lignin khỏi cellulose nhưng các nhà nghiên cứu cho biết việc loại bỏ cellobiose khó khăn hơn. Một phương pháp sử dụng enzyme thứ hai để tách cellobiose, nhưng nó làm tăng thêm chi phí và độ phức tạp cho hệ thống. Anderson cho biết: “Khoảng 50 cent cho mỗi gallon chi phí sản xuất ethanol sinh học được dành riêng cho enzyme, do đó, việc giảm thiểu chi phí này sẽ giúp ích rất nhiều trong việc làm cho ethanol sinh học từ chất thải thực vật cạnh tranh hơn với nhiên liệu hóa thạch hoặc ethanol làm từ ngô. Chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu cách chế tạo enzyme và khám phá cách các enzyme có thể hoạt động cùng nhau với mục tiêu làm cho quá trình này có chi phí thấp và hiệu quả nhất có thể”.

Nguồn: https://www.sciencedaily.com