Các nhà nghiên cứu gần đây đã tạo ra một loại vi khuẩn biến đổi gen có thể biến đổi các chất ô nhiễm gốc nhựa thành thuốc giảm đau. Sáng kiến này, được ScienceNews nêu bật, có thể giúp ngành công nghiệp quản lý nguồn ô nhiễm có vấn đề và thậm chí tái sử dụng nó.
Nhựa là vật liệu cực kỳ hữu ích trong nhiều lĩnh vực của xã hội chúng ta. Nhưng nhiều loại trong số chúng cũng gây ra vấn đề lớn về môi trường, đặc biệt là do khả năng chống phân hủy của chúng. Trên thực tế, chúng được tạo thành từ các chuỗi polyme dài không tồn tại trong tự nhiên và do đó, các vi sinh vật không có thời gian để có được vũ khí cần thiết để phân hủy chúng.
Do đó, nhiều nhà nghiên cứu đang khám phá nhiều cách khác nhau để loại bỏ và thậm chí tái chế nguồn ô nhiễm chính này. Hầu hết các phương pháp tiếp cận này đều dựa vào kỹ thuật di truyền; bằng cách sửa đổi bộ máy bên trong của một số loại vi khuẩn, các chuyên gia đã thành công trong việc khiến chúng có khả năng phá vỡ các chuỗi polyme này, đôi khi thậm chí biến chúng thành các hợp chất hữu ích.
Các tác giả nghiên cứu bắt đầu bằng cách thử nghiệm phương pháp của họ với một phân tử gọi là axit para-aminobenzoic, hay PABA. Đây là một hợp chất rất quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn, vì nó là tiền chất cho phép chúng sản xuất axit folic. Axit folic rất cần thiết cho sự sống, vì nó tham gia vào quá trình sản xuất DNA, RNA và axit amin. Nếu không có nó, các tế bào không thể sao chép bình thường, ngăn cản các sinh vật phát triển và sinh sôi.
Nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng cách vô hiệu hóa con đường chuyển hóa cho phép E. coli tổng hợp PABA này. Điều này có nghĩa là vi khuẩn sẽ bị diệt vong trừ khi chúng tìm ra cách khác để sản xuất loại axit này.
Đồng thời, họ cũng trang bị cho chúng một gen mới liên quan đến việc sản xuất một loại enzyme cụ thể, có khả năng xúc tác phản ứng hóa học gọi là sắp xếp lại Lossen. Trong bối cảnh này, phản ứng này làm thay đổi cấu trúc phân tử của nhựa để sản xuất PABA.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã cung cấp cho vi khuẩn các tiền chất có nguồn gốc từ nhựa PET để kiểm tra xem các biến đổi di truyền của chúng có hiệu quả hay không. Lý tưởng nhất là chúng có thể sống sót bằng cách chuyển đổi các tiền chất này thành PABA nhờ con đường trao đổi chất mới được bổ sung nhân tạo này. Nếu không, chúng sẽ bị tước mất khả năng sản xuất axit folic cần thiết cho sự sống còn của chúng và sẽ nhanh chóng chết.
Cuối quá trình, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng E. coli vẫn tiếp tục sinh sôi. Điều này chứng tỏ rằng sự sắp xếp lại Lossen đang diễn ra đúng cách và nhóm nghiên cứu có thể chuyển sang bước tiếp theo.
Đây là một kết quả rất đáng khích lệ. Thật vậy, việc sản xuất paracetamol phần lớn dựa vào phenol, dẫn xuất của benzen, bản thân benzen cũng được lấy từ dầu thô. Nói cách khác, việc sản xuất loại thuốc giảm đau rất phổ biến này phụ thuộc vào ngành công nghiệp hóa dầu. Điều này có nghĩa là, về mặt lý thuyết, phương pháp mà các tác giả nghiên cứu chứng minh có thể giết hai con chim bằng một hòn đá bằng cách tái chế các chất ô nhiễm có vấn đề để sản xuất paracetamol mà không cần sử dụng thêm vật liệu hóa thạch.
Điều này đặc biệt liên quan đến phương pháp mà các tác giả của nghiên cứu sử dụng để sản xuất các tiền chất nổi tiếng này có nguồn gốc từ nhựa PET. Họ đã sử dụng một quy trình khử trùng hợp, phá vỡ các chuỗi polyme tạo nên vật liệu. Tuy nhiên, đây là một phản ứng tinh tế có thể tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn khác nếu không được kiểm soát chặt chẽ. Do đó, việc quản lý số lượng lớn nhựa PET tái chế, thường bị ô nhiễm bởi các loại hóa chất khác, sẽ rất phức tạp.
Theo Dylan Domaille, một nhà hóa học không tham gia vào nghiên cứu được ScienceNews trích dẫn, sẽ rất khó để thực hiện quy trình này trên quy mô lớn để sản xuất hàng loạt paracetamol. Bởi vì ngay cả khi khả thi về mặt kỹ thuật, thì lợi nhuận có nguy cơ thấp hơn nhiều so với các phương pháp sản xuất thông thường dựa trên dầu mỏ.
Nhưng ý tưởng này vẫn đầy hứa hẹn. Trong tương lai, các biến đổi gen khác có thể cho phép E. coli để thực hiện toàn bộ chuỗi chuyển đổi ngay từ đầu – bao gồm cả việc chuyển đổi nhựa thô thành tiền chất PABA. Trong trường hợp này, chỉ cần cho vi khuẩn biến đổi ăn những chai cũ là đủ để thu được paracetamol ở cuối chuỗi. Do đó, điều quan trọng là phải theo dõi sự phát triển của lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn này, lĩnh vực cuối cùng có thể cho phép chúng ta sản xuất nhiều hợp chất hữu ích bằng cách sử dụng vi khuẩn biến đổi gen.
Nhựa là vật liệu cực kỳ hữu ích trong nhiều lĩnh vực của xã hội chúng ta. Nhưng nhiều loại trong số chúng cũng gây ra vấn đề lớn về môi trường, đặc biệt là do khả năng chống phân hủy của chúng. Trên thực tế, chúng được tạo thành từ các chuỗi polyme dài không tồn tại trong tự nhiên và do đó, các vi sinh vật không có thời gian để có được vũ khí cần thiết để phân hủy chúng.
Do đó, nhiều nhà nghiên cứu đang khám phá nhiều cách khác nhau để loại bỏ và thậm chí tái chế nguồn ô nhiễm chính này. Hầu hết các phương pháp tiếp cận này đều dựa vào kỹ thuật di truyền; bằng cách sửa đổi bộ máy bên trong của một số loại vi khuẩn, các chuyên gia đã thành công trong việc khiến chúng có khả năng phá vỡ các chuỗi polyme này, đôi khi thậm chí biến chúng thành các hợp chất hữu ích.
Kỹ thuật di truyền để giải cứu
Một ví dụ thú vị gần đây đã xuất hiện từ Đại học Edinburgh, Scotland. Nhóm nghiên cứu đằng sau công trình này đã bắt đầu nghiên cứu của mình với Escherichia coli, hoặc E. coli, một loại vi khuẩn cực kỳ phổ biến được tìm thấy trong hệ tiêu hóa của nhiều loài động vật, bao gồm cả con người. Đây cũng là một trong những sinh vật mô hình chính được sử dụng trong sinh học; Người ta đã nghiên cứu rất sâu rộng đến nỗi hầu như mọi yếu tố trong bộ gen và quá trình trao đổi chất của nó đều đã được biết đến từ đầu đến cuối, điều này giúp việc biến đổi gen của chúng dễ dàng hơn rất nhiều.
Các tác giả nghiên cứu bắt đầu bằng cách thử nghiệm phương pháp của họ với một phân tử gọi là axit para-aminobenzoic, hay PABA. Đây là một hợp chất rất quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn, vì nó là tiền chất cho phép chúng sản xuất axit folic. Axit folic rất cần thiết cho sự sống, vì nó tham gia vào quá trình sản xuất DNA, RNA và axit amin. Nếu không có nó, các tế bào không thể sao chép bình thường, ngăn cản các sinh vật phát triển và sinh sôi.
Nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng cách vô hiệu hóa con đường chuyển hóa cho phép E. coli tổng hợp PABA này. Điều này có nghĩa là vi khuẩn sẽ bị diệt vong trừ khi chúng tìm ra cách khác để sản xuất loại axit này.
Đồng thời, họ cũng trang bị cho chúng một gen mới liên quan đến việc sản xuất một loại enzyme cụ thể, có khả năng xúc tác phản ứng hóa học gọi là sắp xếp lại Lossen. Trong bối cảnh này, phản ứng này làm thay đổi cấu trúc phân tử của nhựa để sản xuất PABA.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã cung cấp cho vi khuẩn các tiền chất có nguồn gốc từ nhựa PET để kiểm tra xem các biến đổi di truyền của chúng có hiệu quả hay không. Lý tưởng nhất là chúng có thể sống sót bằng cách chuyển đổi các tiền chất này thành PABA nhờ con đường trao đổi chất mới được bổ sung nhân tạo này. Nếu không, chúng sẽ bị tước mất khả năng sản xuất axit folic cần thiết cho sự sống còn của chúng và sẽ nhanh chóng chết.
Cuối quá trình, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng E. coli vẫn tiếp tục sinh sôi. Điều này chứng tỏ rằng sự sắp xếp lại Lossen đang diễn ra đúng cách và nhóm nghiên cứu có thể chuyển sang bước tiếp theo.
Từ nhựa đến paracetamol
Từ đó, họ thực hiện một vòng biến đổi gen khác để bổ sung thêm một con đường chuyển hóa mới, lần này là để cho phép E. coli chuyển đổi PABA thành acetaminophen – một hợp chất được biết đến nhiều hơn với tên gọi paracetamol, thành phần hoạt tính trong nhiều loại thuốc giảm đau dành cho người tiêu dùng. Sau lần biến đổi mới này, E. coli đã có thể chuyển đổi 92% tiền chất gốc nhựa thành paracetamol trong vòng 48 giờ!Đây là một kết quả rất đáng khích lệ. Thật vậy, việc sản xuất paracetamol phần lớn dựa vào phenol, dẫn xuất của benzen, bản thân benzen cũng được lấy từ dầu thô. Nói cách khác, việc sản xuất loại thuốc giảm đau rất phổ biến này phụ thuộc vào ngành công nghiệp hóa dầu. Điều này có nghĩa là, về mặt lý thuyết, phương pháp mà các tác giả nghiên cứu chứng minh có thể giết hai con chim bằng một hòn đá bằng cách tái chế các chất ô nhiễm có vấn đề để sản xuất paracetamol mà không cần sử dụng thêm vật liệu hóa thạch.
Một khái niệm đầy hứa hẹn, nhưng vẫn còn lâu mới hoàn thiện
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nghiên cứu này chỉ đưa ra bằng chứng về khái niệm. Theo tình hình hiện tại, sẽ không dễ để tích hợp nó vào một quy trình công nghiệp quy mô lớn.Điều này đặc biệt liên quan đến phương pháp mà các tác giả của nghiên cứu sử dụng để sản xuất các tiền chất nổi tiếng này có nguồn gốc từ nhựa PET. Họ đã sử dụng một quy trình khử trùng hợp, phá vỡ các chuỗi polyme tạo nên vật liệu. Tuy nhiên, đây là một phản ứng tinh tế có thể tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn khác nếu không được kiểm soát chặt chẽ. Do đó, việc quản lý số lượng lớn nhựa PET tái chế, thường bị ô nhiễm bởi các loại hóa chất khác, sẽ rất phức tạp.
Theo Dylan Domaille, một nhà hóa học không tham gia vào nghiên cứu được ScienceNews trích dẫn, sẽ rất khó để thực hiện quy trình này trên quy mô lớn để sản xuất hàng loạt paracetamol. Bởi vì ngay cả khi khả thi về mặt kỹ thuật, thì lợi nhuận có nguy cơ thấp hơn nhiều so với các phương pháp sản xuất thông thường dựa trên dầu mỏ.
Nhưng ý tưởng này vẫn đầy hứa hẹn. Trong tương lai, các biến đổi gen khác có thể cho phép E. coli để thực hiện toàn bộ chuỗi chuyển đổi ngay từ đầu – bao gồm cả việc chuyển đổi nhựa thô thành tiền chất PABA. Trong trường hợp này, chỉ cần cho vi khuẩn biến đổi ăn những chai cũ là đủ để thu được paracetamol ở cuối chuỗi. Do đó, điều quan trọng là phải theo dõi sự phát triển của lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn này, lĩnh vực cuối cùng có thể cho phép chúng ta sản xuất nhiều hợp chất hữu ích bằng cách sử dụng vi khuẩn biến đổi gen.
