Phương pháp biến cây thành hóa chất công nghiệp

Mấu chốt nằm ở lignin – polymer khiến cây cứng cáp chống lại tình trạng phân hủy. Đội ngũ NC xác định được đặc tính phân tử cụ thể lignin, hàm lượng loại lignin methoxy sẽ quyết định quá trình lên men vi sinh có dễ dàng biến cây thành hóa chất công nghiệp hay không.

Trước đây đội ngũ NC do giáo sư sinh lý học vi sinh Robert Kelly dẫn đầu chứng minh được một số vi khuẩn ưa nhiệt độ cực cao, phát triển mạnh ở những nơi như suối nước nóng Công viên quốc gia Yellowstone có thể phân hủy cellulose trong cây, nhưng do không đáng kể nên chẳng thể đem lại ý nghĩa lớn về kinh tế lẫn môi trường. Cuối cùng họ phát hiện có nhiều yếu tố khác - chứ không chỉ lignin - ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy.

Để giải quyết vấn đề, giáo sư Kelly dành ra 10 năm làm việc với phó giáo sư chuyên ngành tài nguyên thiên nhiên Jack Wang (cũng là giảng viên NC).

Năm 2023, phó giáo sư Wang cùng đồng nghiệp dùng công nghệ chỉnh sửa gien CRISPR tạo ra cây dương chứa hàm lượng lẫn thành phần lignin được thay đổi. Nhóm nghiên cứu chọn cây dương vì chúng phát triển nhanh, cần ít thuốc trừ sâu và sinh trưởng tốt ở khu vực khó trồng cây lương thực.

Một số cây qua chỉnh sửa đáp ứng tốt với quá trình phân hủy - lên men của vi khuẩn. Theo nghiên cứu sinh tiến sĩ Ryan Bing, mỗi loại vi khuẩn lại ưa thích loại thực vật khác nhau. Vài loại có thể được sử dụng để xử lý thực vật rồi chuyển hóa chúng thành sản phẩm có lợi.

Giáo sư Kelly cùng nghiên cứu sinh Bing kiểm nghiệm xem vi khuẩn Anaerocellum bescii phân lập từ suối nước nóng ở Kamchatka (Nga) xử lý số cây dương biến đổi gien - hàm lượng lẫn thành phần lignin - của phó giáo sư Wang ra sao. Kết quả là hàm lượng methoxy càng thấp thì cây càng dễ phân hủy.

“Hàm lượng methoxy thấp có thể khiến cellulose dễ bị vi khuẩn tiếp cận”, giáo sư Kelly lý giải.

Cây dương qua chỉnh sửa phát triển tốt trong nhà kính, hiện chưa có kết quả trồng thử nghiệm ngoài thực địa. Chúng vô cùng lý tưởng để sản xuất hóa chất công nghiệp như acetone hay khí hydro, đem lại hiệu quả kinh tế lớn mà lại ít tác động đến môi trường.

Sản xuất hóa chất từ cây có thể được thực hiện bằng phương pháp truyền thống: chặt cây thành khúc nhỏ, dùng hóa chất cùng enzyme xử lý rồi tiếp tục chế biến sâu. Nhưng giáo sư Kelly chỉ ra vi khuẩn ưa nhiệt hiệu quả hơn hóa chất cùng enzyme, phân hủy và lên men cellulose thành sản phẩm chỉ trong một bước. Môi trường nhiệt độ cực cao nơi vi khuẩn tồn tại cũng khiến quy trình sản xuất không cần đảm bảo điều kiện vô trùng.