Láng giềng Việt Nam tuyên bố biến CO₂ thành đường, mở ra lối thoát cho khủng hoảng toàn cầu
Họ cho biết đây là "chiến lược đầy hứa hẹn để giải quyết đồng thời các vấn đề môi trường và dân số".
Một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển phương pháp chuyển đổi methanol – một loại rượu – thành đường trắng (sucrose), mở ra tiềm năng biến carbon dioxide (CO₂) thu giữ từ khí thải thành thực phẩm tiêu dùng.
Công nghệ này sử dụng hệ thống chuyển hóa sinh học để tổng hợp đường mà không cần trồng mía hoặc củ cải đường – hai loại cây nông nghiệp cần nhiều đất đai và tài nguyên nước.
Methanol – vốn có thể được sản xuất từ khí CO₂ thông qua quá trình hydro hóa hoặc thu hồi từ chất thải công nghiệp – được chuyển hóa thành sucrose nhờ các enzyme xúc tác. Nhóm nghiên cứu cũng mở rộng hệ thống này để tổng hợp các carbohydrate phức tạp khác như fructose và tinh bột (starch).
ivBT – nền tảng sinh học mới cho mục tiêu trung hòa carbon
“Việc chuyển hóa nhân tạo khí CO₂ thành thực phẩm và hóa chất là một chiến lược đầy hứa hẹn nhằm giải quyết đồng thời các thách thức về môi trường và dân số, đồng thời góp phần hiện thực hóa mục tiêu trung hòa carbon”, nhóm nghiên cứu khẳng định trong bài báo đăng trên Science Bulletin – một tạp chí khoa học có bình duyệt – vào tháng 5.
Cho đến nay, các phương pháp khử CO₂ thành các phân tử đơn giản hơn đã chứng minh được tính khả thi. Tuy nhiên, việc tổng hợp các carbohydrate chuỗi dài – vốn là nhóm chất hữu cơ phong phú nhất trong tự nhiên – vẫn là một bài toán hóc búa với giới khoa học.
“Chuyển hóa sinh học in vitro (in vitro biotransformation – ivBT) đã nổi lên như một nền tảng đầy tiềm năng cho sản xuất sinh học bền vững”, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ Sinh học Công nghiệp Thiên Tân (Tianjin Institute of Industrial Biotechnology) – trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) – viết.
“Hệ thống ivBT do chúng tôi thiết kế và triển khai đã thành công trong việc tổng hợp sucrose từ các phân tử carbon thấp”.
Đường trắng không cần đồng ruộng: Hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng
Hiện nay, sucrose chủ yếu được chiết xuất từ cây mía (trồng ở vùng khí hậu nhiệt đới như Đông Nam Á) hoặc củ cải đường (ở các vùng ôn đới lạnh hơn). Dù Trung Quốc có điều kiện khí hậu để trồng cả hai loại cây trên, nước này tiêu thụ tới 15 triệu tấn đường mỗi năm – trong đó 5 triệu tấn phải nhập khẩu, theo bài viết của kênh WeChat thuộc CAS.
Việc trồng đại trà mía và củ cải đường đòi hỏi diện tích lớn và tiêu tốn tài nguyên nước – trở thành vấn đề cấp thiết trong bối cảnh dân số toàn cầu tăng nhanh và biến đổi khí hậu gây áp lực lên ngành nông nghiệp.
Chính vì vậy, các nhà khoa học đã nỗ lực tìm kiếm phương pháp tổng hợp đường nhân tạo theo quy mô công nghiệp với chi phí hợp lý.
Trước đó vào năm 2021, các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Hóa học Đại Liên (Dalian Institute of Chemical Physics) – cũng thuộc CAS – đã công bố một phương pháp hiệu suất cao, nhiệt độ thấp để sản xuất methanol từ quá trình hydro hóa CO₂.
Việc khử hóa học CO₂ đã mở ra triển vọng sử dụng khí nhà kính thu giữ làm nguyên liệu đầu vào cho chuỗi sản xuất bền vững các hợp chất sinh học.
“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết lập nhiều nền tảng ivBT khác nhau để chuyển hóa các phân tử carbon thấp – có thể thu được từ quá trình khử hóa học CO₂ hoặc chuyển hóa sinh học từ chất thải công nghiệp – thành các loại đường carbon cao (C≥12)”, nhóm nghiên cứu giải thích.
Mở đường cho sản xuất sinh học carbon âm, linh hoạt và độc lập với cây trồng
Bằng cách sử dụng chiến lược sàng lọc đường chuyển hóa (pathway-scanning strategy), nhóm đã tối ưu hệ thống để rút ngắn chuỗi phản ứng, tiết kiệm năng lượng và đạt hiệu suất chuyển đổi lên đến 86%.
Không chỉ lần đầu tiên tổng hợp được sucrose từ methanol, hệ thống còn có khả năng tạo ra tinh bột với mức tiêu hao năng lượng thấp hơn các phương pháp từng được công bố.
Xây dựng trên nền tảng ivBT, nhóm còn điều chỉnh hệ thống để tổng hợp nhiều loại hợp chất phức tạp khác như fructose, amylose, amylopectin, cellobiose và cellooligosaccharides – các hợp chất có giá trị sử dụng cao trong ngành thực phẩm và dược phẩm.
“Hệ thống của chúng tôi mang đến một phương pháp tổng hợp de novo (từ đầu), độc lập với thực vật, để tạo ra các oligosaccharide và polysaccharide đa dạng về cấu trúc”, nhóm viết. “Nghiên cứu này đặt nền móng cho sự phát triển trong tương lai của các nền tảng sản xuất sinh học linh hoạt, carbon âm và bền vững”.
Tuy nhiên, nhóm cũng lưu ý rằng cần có thêm nghiên cứu để tăng quy mô và độ bền vững của hệ thống ivBT, bao gồm việc sàng lọc enzyme hiệu quả hơn và cải thiện tính ổn định của nền tảng.
Theo SCMP
