Tạo ra loại enzyme đột biến có thể “ăn” nhựa
Phát hiện mang tính đột phá về những con bọ có thể ăn nhựa ở một bãi rác thải Nhật Bản có thể góp phần giải quyết khủng hoảng ô nhiễm nhựa toàn cầu.
Nhựa trôi nổi trên các đại dương làm ảnh hưởng đến môi trường sinh thái biển. Nguồn ảnh: DW
Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí PNAS này đã khởi nguồn từ một khám phá năm 2016 về các loại vi khuẩn đã được tiến hóa một cách tự nhiên để phân hủy nhựa tại một bãi rác thải Nhật Bản. Trong công trình, các nhà khoa học đã tiết lộ cấu trúc chi tiết trong enzyme chủ chốt mà họ đã tạo ra trong loại bọ khiến chúng có thể tiêu hủy các chai nhựa đựng nước. Bất ngờ là loại enzyme đột biến này được tạo ra bằng một “tai nạn”.
Nhóm nghiên cứu quốc tế do GS John McGeehan tại trường đại học Portsmouth, Anh dẫn dắt đã thử cải tiến enzyme đó để xem nó tiến hóa như thế nào. Các thí nghiệm cho thấy chúng đã tình cờ làm cho phân tử trở nên “thiện chiến” hơn trong việc phân hủy nhựa PET (polyethylene terephthalate) vẫn được dùng làm nguyên liệu sản xuất các chai đựng nước. Phải mất vài ngày thì enzyme biến đổi đó mới bắt đầu phân hủy nhựa – tuy nhiên tốc độ này cần phải được đẩy lên nhanh hơn nếu không nó sẽ phải mất hàng thế kỷ mới có thể dọn sạch nhựa trên các đại dương. Các nhà nghiên cứu vẫn hi vọng, tốc độ có thể sẽ được tăng lên nữa để có thể tạo ra được một quá trình phân hủy nhựa trên quy mô lớn.
GS John McGeehancho biết: “Những gì chúng tôi đang ấp ủ là dùng chính enzyme này để phân hủy nhựa và đưa chúng trở lại với những thành phần ban đầu, nhờ đó chúng ta có thể tái chế nhựa theo đúng nghĩa mà không cần phải đào thêm dầu mỏ và về cơ bản có thể làm giảm lượng nhựa có trong môi trường”.
Trên toàn cầu, mỗi phút có một triệu chai nhựa được bán và chỉ 14% số này được tái chế, phần nhiều trôi nổi trên các đại dương, làm ô nhiễm môi trường biển, thậm chí ở cả những vùng biển xa xôi, đe dọa đến đời sống của các sinh vật đại dương và cả những người ăn đồ biển. Dẫu sao việc tái chế những chai nhựa này hiện tại vẫn làchuyển thành nguyên liệu dạng sợi để may quần áo hoặc thảm. Còn lại enzyme mới này báo hiệu một cách thức khác: tái chế chúng trở lại thành nguyên liệu nhựa như ban đầu để đáp ứng nhu cầu sản xuất ra loại nhựa mới.
McGeehan chỉ ra một sự thật, “anh có thể luôn luôn phải đối đầu với một sự thật là dầu mỏ rẻ nên nhựa PET cũng rất rẻ. Vì vậy thật dễ dàng để giới công nghiệp có thể khai thác nguyên liệu hơn là cố gắng tái chế nó. Nhưng tôi tin tưởng rằng có một vấn đề định hướng dư luận ở đây: sự nhận thức đang thay đổi rất nhiều và các công ty cũng bắt đầu nhìn nhận họ có thể tái chế rác thải một cách đúng đắn như thế nào”.
Nghiên cứu mới bắt đầu xác định cấu trúc chính xác của enzyme của loại bọ ở Nhật Bản. Nhóm nghiên cứu đã dùng một luồng xung tia X cực mạnh có độ sáng gấp 10 tỷ lần mặt trời của máy synchrotron củaDiamond Light Source gần Oxford, Anh, để tìm ra những nguyên tử đơn lẻ.
Cấu trúc của loại enzyme này trông có vẻ tương đồng với một kiểu tiến hóa của nhiều loại vi khuẩn để phá hủy cutin, một loại polymer tự nhiên vẫn hiện diện như “lớp áo khoác ngoài” của thực vật. Tuy nhiên khi nhóm nghiên cứuxử lý enzyme để khám phá kết nối này, họ đã cải tiến thêm tính năng của chúng để chúng có thể “ăn” PET.
“Cải tiến này mới chỉ ở mức khiêm tốn – tăng tốc độ phân hủy thêm 20% nữa, nhưng điều quan trọng hơn cả là nó cho chúng ta thấy cần phải tối ưu hơn nữa enzyme này. Nó gợi ý cho chúng ta khả năng áp dụng được tất cả các công nghệ vẫn được dùng để phát triển enzyme khác trong nhiều năm để tạo ra một ennzyme [có khả năng phân hủy] siêu nhanh, McGeehan lạc quan.
Các loại enzyme nhân tạo thường được ngành công nghiệp sử dụng rộng rãi, ví dụ như các loại bột tẩy rửa, và chế phẩm nhiên liệu sinh học. Chúng được tạo ra với chức năng phân hủy nhanh gấp 1.000 lần chỉ trong vài năm, tương đương với thang thời gian mà McGeehan dự tính cho loại enzyme “ăn nhựa” của mình. Một bằng sáng chế về enzyme đột biến đặc biệt này đã được cấp cho các nhà nghiên cứu Portsmouth và Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ tại Colorado.
Một cải tiến quan trọng khác có thể dự kiến thực hiện được bằng việc cấy ghép loại enzyme đột biến này vào một vi khuẩn có khả năng sống trong những điều kiện khắc nghiệt như có thể sống sót trong nhiệt độ trên 7OC, tại mốc đó PET có thể được chuyển đổi từ trạng thái giống thủy tinh sang trạng thái nhớt như chất lỏng, khiến cho quá trình phân rã nhanh hơn từ 10 đến 100 lần.
Một phần nghiên cứu đó đã được thể hiện trong việc đem lại khả năng phân hủy nhựa PET cho một vài loại nấm, tuy nhiên nếu cấy enzyme cho vào vi khuẩn sẽ đem lại cho ngành công nghiệp những những ứng dụng dễ dàng hơn.
Nhiều dạng nhựa khác nhau có thể dễ bị phân hủy bằng các loại vi khuẩn đang tiến hóa trong môi trường, McGeehan nhận xét, “Con người hiện đang tìm kiếm những loại vi khuẩn này”. PET có thểchìm trong nước biển nhưng một vài nhà khoa học đã phỏng đoán một ngày nào đó các loài bọ “ăn nhựa” cũng bám vào những đống rác nhựa trên đại dương và “dọn dẹp” nó.
“Tôi nghĩ nghiên cứu mới này là một công trình thú vị, nó chứng tỏ tiềm năng ứng dụng lớn để góp phần hỗ trợ xã hội xử lý những vấn đề về rác thải đang ngày càng thách thức”, Oliver Jones – nhà hóa học tại trường đại học RMIT ở Melbourne, Australia, nhận xét. “Enzyme không có độc tố, có khả năng tự phân hủy và có thể được tạo ra trên diện rộng trong các vi sinh vật. Dẫu vẫn còn một chặng đường nữa trước khi người ta có thể tái chế nhựa trên quy mô lớn với các loại enzyme như thế này và hạn chế số lượng nhựa được sản xuất ở ngày bước đầu tiên nhưng có lẽ đây là cách làm hoàn hảo. Tất nhiên đây chắc chắn là một bước đi tích cực”.
Giáo sư Adisa Azapagic tại trường đại học Manchester, Anh, đồng tình với việc enzyme này có thể hữu dụng nhưng cũng cho biết thêm, “cần có một đánh giá đầy đủ về vòng đời của các loại bọ có enzyme đột biến để đảm bảo công nghệ này không chỉ giải quyết được một vấn đề của môi trường là rác thải, mà còn mở rộng sang nhiều đối tượng khác, bao gồm cả việc phát thải khí nhà kính nữa”.
Anh Vũ lược dịch
