Loại enzyme kỳ diệu mới sẽ tiêu hủy nhựa như thế nào?

Tìm hiểu được cơ chế hoạt động của enzyme này sẽ mở đường cho việc tìm ra một giải pháp toàn diện với cuộc khủng hoảng nhựa của chúng ta.

Những chai nhựa chúng ta vứt đi hàng ngày sẽ tồn tại đến hàng trăm năm. Đó là một trong những lý do quan trọng vì sao vấn đề ô nhiễm nhựa lại trở nên nghiêm trọng như hiện nay, khi nó có thể gây ra tác động chết chóc đến hệ sinh thái biến.

Nhưng gần đây các nhà khoa học đã phát hiện ra một chủng vi khuẩn có thể “ăn được” – theo đúng nghĩa đen – loại nhựa sử dụng để làm các chai lọ, và giờ đây chúng đã được cải thiện để có thể tăng tốc quá trình đó. Các hiệu ứng đến nay vẫn rất khiêm tốn – và cho dù chưa phải là một giải pháp hoàn hảo cho ô nhiễm nhựa, nó vẫn cho thấy vi khuẩn có thể giúp tạo ra nhiều biện pháp tái chế thân thiện với môi trường như thế nào.

Chai nhựa chúng ta vứt đi hàng ngày sẽ tồn tại đến hàng trăm năm.

Phát hiện vô tình

Nhựa là những chuỗi polymer phức tạp, nghĩa là chúng rất dài, gồm các chuỗi phân tử lặp đi lặp lại không hòa tan trong nước. Sức mạnh của các chuỗi này làm nhựa trở nên rất bền và mất rất thời gian để phân hủy tự nhiên. Nếu chúng có thể bị phá vỡ thành các phân tử hóa học nhỏ hơn, có thể hòa tan được, sau đó những khối mới tạo thành này có thể được thu lại và tái chế thành các loại nhựa mới trong một chu trình lặp kín.

Năm 2016, các nhà khoa học Nhật Bản đã thử nghiệm một loại vi khuẩn khác từ một nhà máy tái chế chai nhựa và nhận ra rằng Ideonella sakaiensis 201-F6 có thể tiêu hóa loại nhựa được sử dụng để làm các chai nước dùng một lần, nhựa PET (polyethylene terepththalate). Nó hoạt động nhờ tiết ra một loại enzyme (một loại protein có thể tăng tốc các phản ứng hóa học) có tên gọi PETase. Enzyme này phân chia các liên kết hóa học trong PET, tạo thành các phân tử nhỏ hơn mà vi khuẩn có thể hấp thụ, sử dụng carbon trong chúng như một nguồn thức ăn.

Cho dù đã có những enzyme vi khuẩn khác cũng có thể tiêu hóa chậm PET, loại enzyme mới này dường như đã tiến hóa đặc biệt cho công việc này. Điều này cho thấy rằng nó có thể thực hiện nhanh hơn và hiệu quả hơn, vì vậy chúng có tiềm năng sử dụng trong tái chế sinh học.

Các nhà khoa học đang cố gắng tìm hiểu chính xác cách hoạt động của PETase thông qua cấu trúc của nó.

Chính vì vậy, hàng loạt nhóm nghiên cứu đang cố gắng tìm hiểu chính xác cách hoạt động của PETase thông qua cấu trúc của nó. Trong 12 tháng qua, các nhóm đến từ Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ, Anh và Brazil đều đã công bố các công trình cho thấy cấu trúc của enzyme này với độ phân giải cao và phân tích cơ chế hoạt động của nó.

Các nghiên cứu này cho thấy rằng bộ phận của protein PETase này thực hiện quá trình tiêu hóa hóa học có cấu tạo được thiết kế cho phép bám vào bề mặt PET và hoạt động ở 30^oC, giúp nó phù hợp với quá trình tái chế trong các phản ứng sinh học. Hai trong số các nhóm nghiên cứu cũng cho thấy rằng, bằng cách khôn khéo thay đổi các đặc tính hóa học của enzyme vì vậy nó có thể tương tác theo cách khác với PET, để hoạt động nhanh hơn so với PETase tự nhiên.

Tuy nhiên, việc sử dụng các enzyme từ vi khuẩn trong các phản ứng sinh học để phá vỡ nhựa trong tái chế vẫn rất khó thực hiện. Các đặc tính vật lý của nhựa làm chúng rất khó tương tác với enzyme.

Nhựa PET được sử dụng trong các chai nước uống có cấu trúc bán tinh thể (semi-crystalline), có nghĩa là các phân tử nhựa được đóng gói chặt với nhau và enzyme rất khó xâm nhập vào sâu. Nghiên cứu mới nhất cho thấy rằng những enzyme được tăng cường có thể hoạt động tốt, bởi vì những phân tử có liên quan đến phản ứng rất dễ tiếp cận, giúp các enzyme có thể tấn công dễ dàng hơn, thậm chí vào cả các phân tử PET ẩn sâu nhất.

Các cải thiện khiêm tốn

Nhưng các cải thiện về hoạt động của PETase không đáng kể, và chúng ta vẫn còn cách một giải pháp cho cuộc khủng hoảng nhựa của mình một quãng rất xa. Nhưng nghiên cứu này giúp chúng ta hiểu được làm thế nào enzyme hứa hẹn này có thể phá vỡ PET và gợi ý về cách làm để có thể thực hiện nhanh hơn bằng cách chỉnh sửa các bộ phận hoạt động của nó.

Loại vi khuẩn có thể sử dụng PETase chỉ mới phát triển gần đây.

Việc có thể chỉnh sửa các enzyme để chúng có thể làm việc tốt hơn so với phát triển tự nhiên là tương đối bất thường. Có lẽ thành tựu này phản ánh thực tế rằng loại vi khuẩn có thể sử dụng PETase chỉ mới phát triển gần đây để sống sót được trong môi trường đầy nhựa do con người tạo ra. Điều này có thể mang lại cho các nhà khoa học một cơ hội thú vị để vượt qua sự tiến hóa bằng việc chỉnh sửa các dạnh tối ưu của PETase.

Mặc dù vậy, vẫn còn một điều đáng lo. Trong khi bất cứ vi khuẩn nào được chinh sửa cho các phản ứng sinh học đều được kiểm soát cao độ, nhưng việc chúng có thể làm suy giảm và tiêu thụ nhựa cho thấy loại vật liệu mà chúng ta đang phụ thuộc vào nó có thể không bền vững như chúng ta tưởng tượng.

Nếu có ngày càng nhiều loại vi khuẩn có thể ăn nhựa, thì các sản phẩm và cấu trúc được thiết kế để đứng vững trong nhiều năm sẽ gặp phải mối đe dọa. Ngành công nghiệp nhựa sẽ phải đối mặt với thách thức nghiêm trọng của việc ngăn chặn các sản phẩm của mình trở thành mồi ngon cho các vi sinh vật háu đói.

Những bài học từ thuốc kháng sinh đã dạy chúng ta rằng, mình luôn chậm chân hơn các vi khuẩn. Nhưng có lẽ các nghiên cứu như trên đang cho phép đi trước tự nhiên một bước.