Hệ thống dự trữ năng lượng của vi khuẩn được biến đổi để sản xuất polymer. Nhựa rất hữu ích, ngoại trừ việc sản xuất và xử lý chúng. Sản xuất thường cần hóa chất từ nhiên liệu hóa thạch, duy trì sự phụ thuộc vào chúng. Và sản phẩm cuối cùng thường không phân hủy sinh học, nên tồn tại lâu dài dù bị phân hủy thành các mảnh nhỏ hơn. Tuy nhiên, sinh học có thể cung cấp giải pháp. Các nhà nghiên cứu đã xác định vi khuẩn có khả năng tiêu hóa một số loại nhựa. Và những cải tiến trong khả năng thiết kế protein đã cho phép tạo ra các enzyme mới có thể phân hủy nhựa. Tuần này có một bước tiến mới, với nhóm nghiên cứu Hàn Quốc mô tả cách họ đã chế tạo chủng vi khuẩn có thể tạo ra polymer hữu ích chỉ từ glucose làm nhiên liệu. Hệ thống họ phát triển dựa trên enzyme vi khuẩn sử dụng trong điều kiện dinh dưỡng bất thường, và có thể điều chỉnh để tạo ra nhiều loại polymer. Các nhà nghiên cứu tập trung vào hệ thống tế bào vi khuẩn sử dụng để sản xuất polyhydroxyalkanoates (PHA). Các hóa chất này được hình thành khi tế bào vi khuẩn tiếp tục có nguồn carbon và năng lượng dồi dào, nhưng thiếu các chất dinh dưỡng cần thiết khác để phát triển và phân chia. Trong trường hợp này, tế bào sẽ liên kết các phân tử nhỏ chứa một số nguyên tử carbon, tạo thành polymer lớn hơn. Khi điều kiện dinh dưỡng cải thiện, tế bào có thể phá vỡ polymer và sử dụng các phân tử riêng lẻ. Điều đáng chú ý về hệ thống này là nó không quá kén chọn các phân tử liên kết vào polymer. Cho đến nay, hơn 150 phân tử nhỏ khác nhau đã được tìm thấy trong PHA. Có vẻ như enzyme tạo ra polymer, PHA synthase, chỉ quan tâm đến hai điều: liệu phân tử có thể tạo liên kết este (PHA là polyester) hay không, và liệu nó có thể liên kết với phân tử thường được sử dụng làm chất trung gian trong sinh hóa tế bào, coenzyme A hay không. Thông thường, PHA synthase tạo liên kết giữa các phân tử chạy qua nguyên tử oxy. Nhưng cũng có thể tạo liên kết hóa học liên quan chạy qua nguyên tử nitơ, giống như các axit amin. Tuy nhiên, không có enzyme nào được biết đến xúc tác các phản ứng này. Vì vậy, các nhà nghiên cứu quyết định kiểm tra xem liệu bất kỳ enzyme nào hiện có có thể được kích hoạt để làm điều chúng không thường làm hay không. Các nhà nghiên cứu bắt đầu với một enzyme từ Clostridium liên kết hóa chất với Coenzyme A, có tiếng là không kén chọn hóa chất tương tác. Điều này hoạt động khá tốt trong việc liên kết axit amin với Coenzyme A. Để liên kết các axit amin với nhau, họ sử dụng enzyme từ Pseudomonas có bốn đột biến khác nhau mở rộng phạm vi phân tử nó sử dụng làm vật liệu phản ứng. Được sử dụng trong ống nghiệm, hệ thống hoạt động: Axit amin được liên kết với nhau trong một polymer. Câu hỏi là liệu nó có hoạt động trong tế bào hay không. Thật không may, một trong hai enzyme tỏ ra có độc tính nhẹ đối với E. coli, làm chậm sự phát triển của nó. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã tiến hóa một chủng E. coli có thể chịu đựng protein. Với cả hai protein này, các tế bào tạo ra một lượng nhỏ polymer axit amin. Nếu họ thêm một lượng axit amin dư thừa vào môi trường tế bào đang phát triển, polymer sẽ thiên về việc kết hợp axit amin đó. Tuy nhiên, sản lượng polymer theo trọng lượng vi khuẩn khá thấp. “Người ta lý luận rằng những [axit amin] này có thể được kết hợp hiệu quả hơn vào polymer nếu được tạo ra trong tế bào từ một nguồn carbon phù hợp,” các nhà nghiên cứu viết. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã thêm các bản sao bổ sung của các gen cần thiết để sản xuất một axit amin cụ thể (lysine). Điều đó đã hiệu quả, tạo ra nhiều polymer hơn, với tỷ lệ lysine trong polymer cao hơn. Hầu hết các polymer kết hợp một lượng đáng kể axit lactic, cũng có thể tạo liên kết este. Thông thường có rất nhiều axit lactic trong tế bào vì nó là một trong những sản phẩm tiềm năng của quá trình chuyển hóa glucose. Nhưng các nhà nghiên cứu đã loại bỏ gen mã hóa enzyme chính sản xuất axit lactic, làm giảm đáng kể lượng được kết hợp vào polymer. Các nhà nghiên cứu cũng thử nghiệm nhiều điều kiện khác nhau, cho thấy họ có thể tạo ra các polymer là hỗn hợp của hai monome axit amin khác nhau, và kết hợp các chất không phải axit amin vào hỗn hợp. Bằng cách thêm một vài enzyme bổ sung vào chủng E. coli, họ đã quản lý để tăng sản lượng polymer theo trọng lượng lên hơn 50 phần trăm. Họ cũng chứng minh rằng bạn có thể đưa vào đột biến cho enzyme làm quá trình trùng hợp, và nó sẽ chọn lọc kết hợp nhiều axit amin cụ thể hơn vào polymer thu được. Nhìn chung, hệ thống họ phát triển rất linh hoạt, có thể kết hợp nhiều loại hóa chất vào polymer. Điều này sẽ cho phép điều chỉnh tính chất của nhựa thu được trong phạm vi rộng. Và, xét rằng các liên kết được hình thành thông qua enzyme, polymer thu được chắc chắn sẽ phân hủy sinh học. Tuy nhiên, có một số điểm bất lợi. Quá trình này không cho phép kiểm soát hoàn toàn những gì được kết hợp vào polymer. Bạn có thể làm cho nó thiên về hỗn hợp cụ thể của axit amin hoặc các hóa chất khác, nhưng bạn không thể hoàn toàn ngăn enzyme kết hợp các hóa chất ngẫu nhiên từ quá trình chuyển hóa tế bào vào polymer ở một mức độ nào đó. Cũng có vấn đề là làm sạch polymer khỏi tất cả các thành phần tế bào còn lại trước khi đưa vào sản xuất. Sản xuất cũng tương đối chậm so với sản xuất công nghiệp quy mô lớn. Vì vậy, nó chưa sẵn sàng để thay thế sản xuất nhựa toàn cầu. Nhưng công trình này đã làm rất tốt việc làm nổi bật tiềm năng của sản xuất dựa trên sinh học. Nature Chemical Biology, 2025. DOI: 10.1038/s41589-025-01842-2
Nguồn: https://arstechnica.com/science/2025/03/researchers-engineer-bacteria-to-produce-plastics/