Thiết kế hệ thống khai thác CO2 hiệu quả hơn

Mặc dù các sinh vật đa dạng trên hành tinh có chứa các enzym chuyển đổi CO2 thành các hợp chất hữu cơ như đường, giống như cây thực hiện quá trình quang hợp, nhưng những nỗ lực để khai thác khả năng biến đổi CO2 thành các sản phẩm có giá trị cao như nhiên liệu sinh học và các hóa chất tái tạo, mới chỉ gặt hái thành công hạn chế. Dù nồng độ CO2 gia tăng trong khí quyển là một thách thức, nhưng các nhà nghiên cứu cũng xem như đây là cơ hội.

Nhóm nghiên cứu tại Viện Vi sinh vật trái đất Max-Planck (MPI) ở Đức đã khai thác chuyên môn về tổng hợp ADN của Viện Nghiên cứu bộ gen (JGI) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ để đảo ngược con đường sinh học tổng hợp nhằm cố định cacbon hiệu quả hơn. Con đường này dựa vào enzym mới cố định CO2 nhanh hơn gần 20 lần so với các enzym phổ biến nhất trong tự nhiên, có nhiệm vụ thu khí CO2 trong thực vật bằng cách sử dụng ánh nắng mặt trời làm năng lượng.

Tobias Erb, trưởng nhóm nghiên cứu cho rằng: Những nỗ lực kết hợp trực tiếp các con đường tổng hợp để cố định CO2 trong sinh vật sống, cho đến nay không thành công. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã áp dụng một phương pháp đơn giản hoàn toàn khác, trong đó các thành phần tổng hợp chính được kết hợp trong một ống nghiệm theo hướng từ dưới lên.

Các nhà nghiên cứu bắt đầu với một số con đường cố định CO2 về mặt lý thuyết có thể hình thành chu trình cacbon liên tục, nhưng họ không dừng lại ở đó. "Chúng tôi không hạn chế nỗ lực thiết kế các enzym quen thuộc, mà đã xem xét tất cả những phản ứng có vẻ khả thi về mặt sinh hóa", Erb nói.

Không giống việc lập trình tự ADN, ở đó ngôn ngữ của sự sống được xác định từ bộ gen của sinh vật, ADN tổng hợp trước tiên đòi hỏi phải xác định một yếu tố di truyền đặc biệt như enzym cố định cacbon từ khí quyển, sau đó, viết và thể hiện mã đó trong một hệ thống mới.

Cuối cùng, bằng cách lập trình tự và tổng hợp, các nhà khoa học đã tìm thấy nguồn gốc của 17 enzym từ 9 sinh vật khác nhau tại 3 địa điểm và sắp xếp các yếu tố này để đạt mục đích chứng minh khái niệm về hiệu quả của con đường cố định CO2 vượt trội hơn con đường trong tự nhiên. Erb gọi đây là "chu kỳ CETCH" cho crotonyl-CoA/ethylmalonyl-12 CoA/hydroxybutyryl-CoA vì nó khai thác hiệu quả hơn CO2 từ khí quyển.

Bằng cách triển khai khái niệm “tổng hợp ngược” trao đổi chất, từng bước tách phản ứng trở lại tất cả các tiền chất nhỏ hơn, nhóm nghiên cứu đã xác định được các điều kiện nhiệt động và tìm ra chiến lược cho nhiều kết quả triển vọng có thể cạnh tranh với các con đường trao đổi chất trong tự nhiên. Sau đó, họ đã khai thác các cơ sở dữ liệu công khai về enzym để hỗ trợ cho mô hình và lựa chọn thử nghiệm vài chục enzym.

"Đầu tiên, chúng tôi tái tạo từng bước chuỗi phản ứng cố định CO2 bằng cách cung cấp các thành phần để xúc tác tất cả các phản ứng như mong đợi. Sau đó, chúng tôi đã theo dõi dòng khí CO2 để phát hiện phản ứng đặc thù nào bị hạn chế về tốc độ".

Kết quả là methylsuccinyl-CoA dehydrogenase (Mcd), một thành phần của dòng enzym tham gia vào quá trình hô hấp - phản ứng trao đổi chất trong tế bào của sinh vật để biến đổi các chất dinh dưỡng như cacbon thành những đơn vị năng lượng.

Erb cho biết: "Để khắc phục hạn chế này, chúng tôi đã thiết kế Mcd để sử dụng oxy như là chất nhận electron nhằm tăng cường chức năng, nhưng vẫn không đủ. Chúng tôi đã phải thay thế thiết kế con đường ban đầu bằng các chuỗi phản ứng thay thế, sử dụng kỹ thuật enzym để giảm thiểu phản ứng phụ của các enzym pha tạp và đã đưa vào các enzym cần thiết để điều chỉnh sự hình thành của các chất chuyển hóa cuối cùng".

Nhờ sự hỗ trợ của nhóm nghiên cứu tại Viện Vi sinh vật trái đất Max-Planck, Viện Nghiên cứu bộ gen đã tổng hợp hàng trăm biến thể enzym Enoyl-CoA carboxylase/reductase (ECR) thông qua Chương trình khoa học cộng đồng. Điều này cho phép nhóm nghiên cứu tại Viện Vi sinh vật trái đất Max-Planck sử dụng ECR với hoạt tính cố định CO2 cao nhất để xây dựng thành công con đường nhân tạo cố định CO2 hiệu quả hơn trong ống nghiệm.

Erb cho rằng ECR là enzym tăng áp, có khả năng cố định CO2 với tốc độ nhanh hơn gần 20 lần so với hầu hết các enzym cố định CO2 phổ biến nhất trong tự nhiên như RuBisCo. Quá trình hóa học này giúp khai thác ánh sáng mặt trời để biến khí CO2 thành đường cho các tế bào sử dụng làm năng lượng cùng với các quá trình tự nhiên khác trên hành tinh và giải thích cho sự chuyển đổi khoảng 350 tỷ tấn CO2 mỗi năm.

Nghiên cứu này mở ra nhiều triển vọng ứng dụng trong tương lai.

N.P.D-NASATI (Theo Phys)