Biến đổi nấm thành nhiên liệu: hứa hẹn năng lượng xanh sạch hơn

Đội ngũ các nhà nghiên cứu hàn lâm của chính phủ công bố rằng một loại nấm như nhện bám chặt vào đồng phục quân đội và các tấm lều vải bạt có thể giữ mấu chốt quan trọng đối với sự tiến bộ trong việc sản xuất các nhiên liệu sinh học.

Trong một bài báo được công bố vào ngày 5 tháng 5 trên tờ Công nghệ Sinh học Tự nhiên, các nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Viện gen liên kết với Bộ Năng lượng Mỹ đã cho biết rằng chuỗi gen của dòng nấm Tricoderma reesei đã mở ra những dấu vết quan trọng về việc cách thức sinh vật phá vỡ sợi thực vật thành các loại đường đơn. Phát hiện này có thể mở ra những khả năng đối với các quá trình công nghiệp có thể chuyển đổi ngô, cỏ switchgrass và thậm chí là cả chất thải ở thành phố dựa trên cellulose thành chất ethanol một cách hữu hiệu hơn và lợi ích về chi phí hơn. Ethanol được chế tạo từ các sản phẩm thải có tính năng lựa chọn cacbon trung tính hơn đối với xăng dầu.

Nấm T. reesei tạo lên mối hồ nghi trong suốt Chiến tranh thế giới thứ 2 khi các nhà lãnh đạo quân đội khám phá ra rằng nó làm hư hỏng rất nhanh quần áo và lều vải ở Nam Thái Bình Dương. Tên nấm được đặt theo tên của tiến sĩ Elwyn T. Reese – người đã cùng các đồng nghiệp cách ly được loại nấm này, nấm T. reesei sau đó được công nhận như một nguồn các enzim công nghiệp và như một mô hình chủ chốt đối với việc chuyển đổi cellulose và hemicellulose - sợi thực vật - thành các loại đường đơn.

Vi sinh vật sử dụng các enzim mà nó tạo ra để phá vỡ sợi thực vật mà con người khó tiêu hóa thành dạng đường đơn giản nhất như loại đường đơn (monosaccharide). Sau đó nấm sẽ tiêu hóa lượng đường này làm thức ăn.

Bức ảnh trình bày hình ảnh qua kính hiển vi về những sợi tơ phát triển của dòng nấm Tricoderma reesei. Trong hình, các protein trong các tế bào nấm được đánh dấu màu đỏ trong khi chất chitin – một thành phần của các thành tế bào – được đáng dấu màu xanh dương. (Ảnh: Mari Valkonen, VTT Finland)

Các nhà nghiên cứu đã giải mã chuỗi gen của nấm T. reesei với nỗ lực khám phá ra lí do tại sao nấm màu xanh lá cây đậm cực kì giỏi trong việc tiêu hóa các tế bào thực vật. Các kết quả chuỗi gây ngạc nhiên ở một cách nào đó. Trái với những gì một người có thể dự đoán về phân lượng gen của một loài nấm có thể đục thủng lỗ trên lều vải, nấm T. reesei có ít gen đóng góp cho việc sản xuất ra các enzim ăn cellulose hơn các bản sao của nó.

Nhà khoa học sinh học Diego Martinez của Los Alamos (cũng thuộc đại học New Mexico) – trưởng nhóm cuộc nghiên cứu – cho biết “Chúng tôi rất ý thức đến danh hiệu của nấm T. reesei giống như vật sản xuất số lượng lớn các enzim làm tan rã, tuy nhiên chúng tôi đã rất ngạc nhiên với cách thức một vài loại enzim mà nó tạo ra, điều này cho chúng tôi thấy rằng hệ thống tiết protein của nó đặc biệt hữu hiệu”.Các nhà nghiên cứu tin rằng hệ gen của nấm T. reesei gồm có “các cụm” gen tiết ra enzim – đây chính là một thủ thuật giải thích cho tính hữu hiệu của sinh vật trong việc phá vỡ cellulose.

Trên phạm vi công nghiệp, nấm T. reesei có thể được dùng để tiết ra các enzim, các enzim này có thể được lọc trong và được thêm vào hỗn hợp bột cellulose có nước và các chất liệu khác để sản xuất ra đường. Sau đó đường được lên men bằng men rượu để sản xuất ra ethanol.

Joel Cherry – giám đốc các hoạt động nghiên cứu về nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai cho Novozymes (một tổ chức hợp tác của cuộc nghiên cứu) – cho biết “Các sự xác định trình tự của hệ gen nấm Trichoderma reesei là một bước tiến quan trọng hướng tới việc sử dụng nguyên liệu thô có thể phục hồi đối với việc sản xuất nhiên liệu và các chất hóa học. Những thông tin trong hệ gen của loại nấm này sẽ giúp cho chúng ta hiểu cặn kẽ hơn về cách thức các vi sinh vật này phân rã cellulose một cách hữu hiệu, và cách thức nó tạo ra các enzim theo yêu cầu một cách thật phi thường. Bằng cách sử dụng những thông tin này, chúng ta có thể cải tiến cả về các đặc tính đó và cả về việc giảm đi chi phí chuyển đổi sinh khối cellulose thành nhiên liệu và các chất hóa học.”

Các tác giả khác của cuộc nghiên cứu gồm có: Thomas Brettin, David Bruce, Chris Detter, Cheryl Kuske, Olga Chertkov, Melissa Jackson, Cliff Han, Monica Misra, Nina Thayer, Ravi Barbote, và Gary Xie thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (JGI-LANL); Jarrod Chapman, Igor Grigoriev, Isaac Ho, Susan Lucas, Nicolas Putnam, Paul Richardson, Daniel Rokhsar, Eddy Rubin, Asaf Salamov và Astrid Terry thuộc Nhà máy sản xuất gen tại Walnut Creek, CA (JGI-PGF); Scott Baker và Jon Magnuson thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây bắc Thái Bình Dương.

Các tổ chức hợp tác nghiên cứu khác gồm có Bộ thí nghiệm các sản phẩm lâm nghiệp và nông nghiệp của Mỹ, Đại học bang Oregon, Đại học New Mexico, Đại học Công giáo Chile, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật của Phần Lan (VTT Finland), và Đại học d'Aix-Marseille I & II.