Tạo ra enzym mới

E-mail | Bản in | Lưu xem sau

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California (Caltech) và Công ty tổng hợp gen hàng đầu thế giới DNA2.0 đã thực hiện bước tiến quan trọng trong việc phát triển quy trình hiệu quả chiết xuất đường từ cellulose - một loại nguyên liệu hữu cơ nhiều nhất thế giới và lưu trữ năng lượng mặt trời rẻ nhất. Đường thực vật có thể chuyển thành nhiều loại nhiên liệu tái tạo như ethanol hay butanol một cách dễ dàng.

Trong công trình đăng trên Kỷ yếu Viện hàn lâm Khoa học Quốc gia, Frances H. Arnold và Barbara Dickinson, giáo sư kỹ thuật hoá sinh tại Caltech, và cộng sự của bà thông báo cấu trúc của 15 xúc tác enzym nấm mới rất ổn định có khả năng chuyển hóa một cách hiệu quả cellulose thành các loại đường ở nhiệt độ cao. Trước đây, người ta chỉ biết chưa đến 10 loại enzym cellobiohydrolase II nấm như vậy. Ngoài tính ổn định đặc biệt của chúng, enzym của Arnold phân hủy cellulose trong rất nhiều điều kiện khác nhau.

Nhiên liệu sinh học được sản xuất bằng cách biến đổi vật liệu tái tạo như hạt ngũ cốc, vỏ bào gỗ từ quá trình sản xuất bột giấy và giấy, cỏ và thậm chí cả rác, thành nhiên liệu và hoá chất. Hầu hết nhiên liệu sinh học được sử dụng ngày nay được làm bằng cách lên men tinh bột ngũ cốc. Quy trình này mặc dù đơn giản nhưng tốn kém vì giá của ngũ cốc khá cao.

Phế thải nông nghiệp, như thân cây ngũ cốc, rất rẻ. Những vật liệu này phần lớn có chứa cellulose, thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật. Việc phá vỡ cấu trúc cellulose khó hơn nhiều so với tinh bột. Một vấn đề phức tạp nữa là nếu như phản ứng lên men phân huỷ tinh bột ngũ cốc chỉ cần 1 enzym, thì việc phân hủy cellulose đòi hỏi cả một bộ enzyme, hay cellulase, cùng phối hợp hoạt động. Các cellulase này hiện được sử dụng trong công nghiệp, tất cả được tách từ nhiều loại nấm sợi từ thực vật bị phân rã, vừa chậm vừa không ổn định, và kết quả là quy trình này rất tốn kém.

Arnold và học giả sau tiến sĩ của Caltech, Pete Heinzelman đã tạo ra 15 enzym mới bằng một quy trình gọi là tái kết hợp theo cấu trúc. Sử dụng chương trình máy tính để xác định nơi các gen này tái kết hợp, các nhà nghiên cứu của Caltech “kết hợp” các chuỗi của 3 loại cellulase nấm được biết này để tạo ra hơn 6.000 chuỗi con cháu khác với bất cứ cặp bố mẹ nào, là các protein được mã hóa với cùng một cấu trúc và khả năng phân hủy cellulose.

Bằng cách phân tích các enzym được mã hoá bởi một nhóm nhỏ các chuỗi này, các nhà nghiên cứu của Caltech và Công ty DNA2.0 có thể dự đoán enzym nào trong số 6.000 enzym mới sẽ ổn định nhất, đặc biệt dưới nhiệt độ cao (đặc điểm được gọi là tính chịu nhiệt).

Tính chịu nhiệt là một đòi hỏi đối với cellulase hiệu suất cao, vì ở nhiệt độ cao hơn (70 hay thậm chí 80oC) phản ứng hoá học diễn ra nhanh hơn. Ngoài ra, cellulose căng ra ở nhiệt độ cao hơn, làm cho nó dễ bị phá hủy. Một điều không may là các cellulase từ tự nhiên được biết này cơ bản không hoạt động ở nhiệt độ cao hơn 50oC.

"Các enzym chịu nhiệt cao cũng có xu hướng tồn tại lâu hơn, thậm chí ở nhiệt độ thấp hơn", Arnold nói. "Và, các enzym tồn tại càng lâu thì phân hủy được càng nhiều cellulose hơn, dẫn đến hạ thấp được chi phí sản xuất". Sử dụng các chuỗi được tạo ra từ máy tính, đồng tác giả Jeremy Minshull và cộng sự từ DNA2.0, đã phân tích các chuỗi ADN thực, những ADN được truyền vào men trong phòng thí nghiệm của Arnold. Men này tạo ra các enzym, sau đó được kiểm tra khả năng và hiệu quả phân hủy cellulose. Tất cả 15 cellulase mới được công bố đều ổn định hơn, hoạt động ở nhiệt độ cao hơn đáng kể (70 đến 75oC), và phân hủy cellulose nhiều hơn các enzym gốc ở nhiệt độ này.

Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu đặt kế hoạch sử dụng quy trình tái kết hợp theo cấu trúc để hoàn thiện cellulase tạo thành dung dịch enzym cần cho việc phân hủy cenlulose công nghiệp.

(Theo Tạp chí Hoạt động Khoa Học)