Phương pháp phát triển khả năng "quang hợp nhân tạo" ở một số vi khuẩn có thể giúp tạo ra những sản phẩm có giá trị, đồng thời đây là bước đột phá trong lĩnh vực khoa học góp phần cải thiện đáng kể đời sống con người và góp phần không nhỏ vào việc ngăn chặn một số vấn nạn liên quan đến môi trường hiện nay.
Bước tiến mới của sự quang hợp nhân tạo
Một bước đột phá mới trong quang hợp nhân tạo đạt được cùng với sự phát triển của một hệ thống có thể gom khí thải cacbon dioxit và chuyển chúng thành các sản phẩm hóa chất có giá trị, bao gồm cả nhựa phân hủy sinh học, dược phẩm và thậm chí nhiên liệu dạng lỏng.
Được phát triển bởi các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California Berkeley, hệ thống sử dụng sắp xếp lai của các sợi nano bán dẫn và vi khuẩn có khả năng bắt chước quá trình quang hợp tự nhiên như cây xanh dùng năng lượng mặt trời để tổng hợp carbohydrates từ CO2 và nước.
Tuy nhiên, hệ thống quang hợp nhân tạo mới này tổng hợp các kết hợp của cacbon dioxit và nước tạo thành acetate - một tiền chất linh hoạt, khối hợp nhất phổ biến nhất hiện nay cho sinh học tổng hợp.
“Chúng tôi tin rằng hệ thống này là một bước tiến nhảy vọt trong lĩnh vực quang hợp nhân tạo”, Peidong Yang, nhà hóa học tại Phòng thí nghiệm Berkeley, và đồng thời là một trong những người chỉ đạo nghiên cứu này cho biết.
Hệ thống quang hợp nhân tạo đột phá này có 4 nhiệm vụ chính: (1) thu năng lượng mặt trời, (2) tạo ra đương lượng khử, (3) khử CO2 thành môi trường tổng hợp sinh học, và (4) tạo ra các chất hóa học hữu ích (Ảnh: Phòng thí nghiệm Berkeley)
“Hệ thống của chúng tôi có khả năng làm thay đổi cơ bản công nghiệp hóa chất và nhiên liệu, bằng cách này chúng ta có thể tạo ra các hóa chất và nhiên liệu theo cách hoàn toàn tái sinh, mà không cần phải khai thác chúng từ sâu bên trong lòng đất.”
“Trong quá trình quang hợp tự nhiên, lá cây hấp thụ năng lượng mặt trời và cacbon dioxit được giảm, kết hợp với nước cho việc tổng hợp của các sản phẩm phân tử tạo thành sinh khối”, nhà nghiên cứu Chris Chang giải thích.
“Trong hệ thống của chúng ta, các vi sợi thu được từ năng lượng mặt trời và cung cấp các electron cho các vi khuẩn, nơi cacbon dioxit được giảm và kết hợp với nước tạo ra các sản phẩm.”
Bằng việc kết hợp các dây nano bắt sáng có khả năng thích ứng sinh học với quần thể vi khuẩn được chọn, hệ thống quang hợp nhân tạo mới có thể góp phần tạo nên lợi ích cho cả đôi bên: năng lượng mặt trời - hóa chất xanh được sử dụng tách cacbon dioxit.
Hệ thống tiến hành cùng với một “rừng cây nhân tạo” của lượng tử dữ liệu ẩn sợi nano bao gồm các sợi nano silicon và oxit titan. “Rừng nhân tạo của chúng tôi giống như các lục lạp trong cây xanh”, ông Yang giải thích.
“Khi ánh sáng mặt trời được hấp thụ, các cặp kích thích quang học điện tử - lỗ trống (chất bán dẫn) được tạo ra trong các sợi nano silicon và oxit titan, những cặp này hấp thụ những vùng khác nhau của quang phổ mặt trời. Các electron quang sinh (photogenerated) trong silicon sẽ đi vào trong vi khuẩn để giảm cacbon dioxit trong khi các lỗ trống quang sinh (photo-generated holes) trong oxit titan phân chia các phân tử nước để tạo ra oxy.”
Khi rừng cây tạo bởi các mảng sợi nano được thiết lập, đây là một tập hợp quần cư nhân tạo có thể tạo ra các loại enzyme được biết đến như các chất xúc tác góp phần vào việc giảm thiểu lượng cacbon dioxit một cách có chọn lọc.
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu Đại học Berkeley sử dụng một loại vi khuẩn kỵ khí có tên là Sporomusa ovate sẵn sàng tiếp nhận các electron trực tiếp từ môi trường và sử dụng chúng để góp phần làm giảm lượng cacbon dioxit.
“Vi khuẩn Sporomusa ovate là một sinh vật xúc tác cacbon dioxit tuyệt vời vì nó tạo ra acetate, một loại hóa chất trung gian linh hoạt có thể sử dụng để sản xuất một mảng đa dạng của các hóa chất có lợi”, Michelle Chang nhà nghiên cứu thuộc Đại học Berkeley chia sẻ.
“Chúng tôi có thể cắm linh kiện thống nhất mảng sợi nano với vi khuẩn S. ovata sử dụng nước lợ đệm cùng với các vitamin vi lượng là thành phần hữu cơ duy nhất.”
Một khi lượng cacbon dioxit được giảm thiểu nhờ vi khuẩn S. ovata thành acetate (hoặc một số tổng hợp hóa học trung gian khác), vi khuẩn E.coli biến đổi gen được sử dụng để tổng hợp các sản phẩm hóa học được dùng để tổng hợp các sản phẩm hóa học mục tiêu.
Để nâng cao sản lượng của các sản phẩm hóa học, vi khuẩn S. ovata và E.coli được giữ riêng trong nghiên cứu này. Trong tương lai, hai hoạt động thúc đẩy và tổng hợp có thể được kết hợp thành một quá trình duy nhất.
Chìa khóa dẫn đến thành công của hệ thống quang hợp nhân tạo là việc tách biệt những yêu cầu khắt khe về tính hiệu quả bắt sáng và hoạt động xúc tác có thể được tạo ra bởi công nghệ lai ghép sợi nano/vi khuẩn.
Với phương pháp này, nhóm nghiên cứu Đại học Berkeley đã thu được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời lên đến 0,38% trong khoảng 200 giờ dưới ánh sáng mặt trời được mô phỏng tương.
Sản lượng các phân tử hóa học được sản xuất từ acetate cũng được khuyến khích, chiếm tỉ lệ cao 26% cho chế tạo ra butanol - nhiên liệu sinh học tốt hơn ethanol một nhiên liệu gần giống với xăng dầu, 25% dành cho Amorphadiene (tiền chất của thuốc sốt rét Artemisinin), 52% đối với nhựa tái tạo và tự phân hủy PHB. Những thí nghiệm cải thiện được mong đợi cùng với nhiều cải tiến của công nghệ.
Nhóm nghiên cứu hiện đang làm việc tiếp với hệ thống thế hệ thứ hai có hiệu suất chuyển đối từ năng lượng mặt trời sang năng lượng hóa học 3%. Khi nhóm nghiên cứu đạt được hiệu suất chuyển đổi 10%, thì công nghệ này sẽ có khả năng thương mại hóa.