Cơ hội mới trong việc chế tạo hydro

Quang hợp tạo ra thức ăn mà chúng ta tiêu thụ và ôxy mà chúng ta thở liệu có giúp giải quyết nhu cầu năng lượng trong tương lai bằng cách tạo hydro cháy sạch?

Các nhà khoa học đang nghiên cứu loại tảo xanh đơn bào tạo ra hydro, Chlamydomonas reinhardtii, đã phát hiện một cách lên men mới có thể mở ra khả năng tăng sản lượng hydro.

C. reinhartii, sống trong đất, tạo ra một lượng nhỏ hydro khi mất đi oxy. Giống như men và các vi khuẩn khác, dưới điều kiện kỵ khí loại tảo này tập trung năng lượng từ sự lên men. Trong quá trình lên men, hydro được giải phóng qua hoạt động của enzim gọi là hydrogenase, được cung cấp năng lượng từ electron tạo ra từ sự phá vỡ các hợp chất hoặc cơ hoặc tách nước do quang hợp. Thông thường, chỉ một phần nhỏ electron được chuyển hóa thành hydro. Tuy nhiên, một mục tiêu nghiên cứu chính là phát triển những phương pháp làm tăng lượng electron này, từ đó tạo ra sản lượng hydro cao hơn. Trong nghiên cứu mới của Dubini và các tác giả khác, được công bố trên tạp chí Journal of Biological Chemistry, các nhà nghiên cứu thuộc Khoa Sinh học thực vật Học viện Carnegie, Phòng thí nghiệm năng lượng có thể phục hồi quốc gia (NREL), và Trường mỏ Colorado (CSM), đã kiểm tra những quá trình trao đổi chất trong một dòng đột biến không có khả năng hình thành một enzim hydrogenase.

Các nhà nghiên cứu, bao gồm Alexandra Dubini (NREL), Florence Mus (Carnegie), Michael Seibert (NREL), Matthew Posewitz (CSM), và Arthur Grossman (Carnegie), trông đợi cơ chế trao đổi chất của tế bào sẽ bù đắp bằng cách tăng dòng trao đổi chất ở các cách lên men khác được biết đến, ví dụ như tăng formate và enthanol dưới dạng sản phẩm cuối. Thay vào đó, tảo xanh đã hoạt hóa đường lên men dẫn tới sự hình thành succinate, trước đây không liên quan đến cơ chế trao đổi chất lên men ở C. reinhardtii. Đặc biệt, succinate, một hóa chất công nghiệp được sử dụng rộng rãi để tổng hợp xăng, nằm trong danh sách của 12 hóa chất giá trị gia tăng của Bộ Năng lượng.

Bức ảnh hiển vi cho thấy một ví dụ của tảo xanh Chlamydomanas reinhardtii. (Ảnh: Cao đẳng Dartmouth)

Arthur Grossman cho biết: “Chúng tôi thực sự không biết đường lên men này tồn tại trong tảo xanh cho đến khi chúng tôi tạo ra dòng đột biến. Phát hiện này cho thấy tính linh hoạt trong cách tảo xanh sống trong đất có thể chuyển hóa cácbon dưới điều kiến kỵ khí. Bằng cách ngăn chặn hoặc biến đổi một số đường trao đổi chất, chúng ta có thể thay đổi lượng electron cho hydrogenase dưới điều kiện kỵ khí và tăng sản lượng hydro”.

Grossman chỉ ra rằng rất có thể những sinh vật sống trong đất ví dụ như Chlamydomonas có thể có rất nhiều đường trao đổi chất khác nhau. Nồng độ oxy, trữ lượng dinh dưỡng, và nồng độ metal và các chất độc có thể biến đổi trong đất, trong thời gian ngắn hạn hoặc dài hạn. Grossman giải thích: “Trong một môi trường như vậy, những sinh vật này phải tiến hóa vòng trao đổi chất của nó, những điều kiện khác nhau mà sinh vật được tiếp xúc có thể dẫn tới đường trao đổi chất năng lượng, giúp sinh vật cạnh tranh trong môi trường đất”.

Grossman đã chỉ đạo giải mã hoàn chỉnh bộ gen của Chlamydomonas, cho phép các nhà nghiên cứu nhận biết những gen quan trọng mã hóa protein tham gia vào quá trình lên men và tạo ra hydro. Grossman cho rằng rất cần thiết tạo ra những dòng đột biến mới để giúp chúng ta hiểu rõ hơn làm thế nào có thể thay đổi cơ chế trao đổi chất lên men cũng như sản lượng hydro. Michael Seibert thuộc NREL, quan sát thấy “mục tiêu bao quát của nghiên cứu là đạt được hiểu biết cơ bản về những quá trình trao đổi chất xuất thiện ở Chlamydomonas, và làm thế nào chúng tương tác, phát hiện của nghiên cứu sẽ dẫn tới việc phát triển các phương pháp mới để chế tạo hydro và các năng lượng sinh học có thể phục hồi, đem lại lợi ích to lớn cho chúng ta”.

Matthew Posewitz cho biết: “Đây là thời điểm thật hào hứng. Những công cụ được phát triển tại Carnegie và các nhóm khác đang đem lại những cơ hội chưa từng có cho các nhà khoa học để tạo ra những tiến bộ quan trọng trong hiểu biết của chúng ta về các sinh vật như Chlamydomonas”.

Là nguồn năng lượng có tiềm năng thay thế nhiên liệu hóa thạch, hydro có thể làm giảm đáng kể lượng khí nhà kính. Đề xuất chế tạo hydro từ tảo cho thấy, không giống với ethanol sản xuất từ cây trồng, nó không cạnh tranh với việc sản xuất lương thực.

Dự án được Văn phòng nghiên cứu sinh học và môi trường, chương trình GTL của Bộ năng lượng Hoa Kỳ tài trợ.

Tham khảo:
Alexandra Dubini, Florence Mus, Michael Seibert, Arthur R. Grossman and Matthew C. Posewitz. Flexibility in Anaerobic Metabolism as Revealed in a Mutant of Chlamydomonas reinhardtii Lacking Hydrogenase Activity. Journal of Biological Chemistry, 2008; 284 (11): 7201 DOI: 10.1074/jbc.M803917200