Vi khuẩn lam, mặc dù nhuộm nước màu xanh lá cây thông qua các sắc tố đặc biệt của chúng nhưng vẫn thường được gọi là "tảo xanh lam". Chúng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học đặc biệt hiệu quả nhờ các tế bào quang hợp hoạt động mạnh. Điều này sẽ trở thành tiềm năng hấp dẫn đối với ứng dụng công nghệ sinh học, nơi chúng có thể được sử dụng làm chất xúc tác sinh học sẵn có và thân thiện với môi trường để sản xuất các hóa chất mới bằng cách sử dụng các enzym cụ thể.

Nguồn ánh sáng sẵn có có hạn

Dù nghe có vẻ tốt về mặt lý thuyết, trên thực tế việc ứng dụng vi khuẩn lam trong công nghệ sinh học vẫn đang gặp trở ngại trong khi triển khai công nghệ quy mô lớn. Một yếu tố hạn chế mang tính quyết định hiện nay là về nguồn ánh sáng sẵn có. Ông Robert Kourist từ Viện Công nghệ Sinh học Phân tử tại Đại học Công nghệ Graz giải thích: “Khi vi khuẩn lam phát triển với mật độ dày đặc, tức là ở nồng độ cao thì chỉ những tế bào nằm ở bên ngoài nhận đủ ánh sáng, trong khi bên trong khá tối. Điều này có nghĩa là lượng chất xúc tác không thể tăng lên theo ý muốn. Khi mật độ tế bào chiếm khoảng vài gam / lít, hoạt động quang hợp và năng suất của tế bào giảm mạnh. Tất nhiên đây là một bất lợi đáng kể đối với việc sản xuất công nghệ sinh học quy mô lớn. " Để so sánh, có thể thấy các chất xúc tác sinh học được thiết lập trước đây như nấm men có thể được sử dụng với mật độ tế bào từ 50 gam / lít trở lên. Các sinh vật sản xuất được hình thành trước đó có nhược điểm lớn là chúng phụ thuộc vào các sản phẩm nông nghiệp làm cơ sở cho sự tăng trưởng và do đó ‘ngốn’ một lượng lớn tài nguyên. Ông Kourist cho biết: "Các chất xúc tác dựa trên tảo có thể được phát triển từ nước và CO2, vì vậy có thể coi chúng thân thiện với môi trường nhiều gấp hai lần theo khía cạnh nào đó. Vì lý do này, các chuyên gia đang nỗ lực chuyên sâu để tăng hiệu suất xúc tác của vi khuẩn lam".

Tận dụng nguồn ánh sáng sẵn có đúng mức hơn

Cùng với Đại học Ruhr Bochum và Đại học Turku của Phần Lan, nhóm làm việc về tảo tại Đại học Công nghệ Graz hiện đã thành công trong việc tăng chính xác hiệu suất xúc tác này bằng cách chuyển hướng cụ thể dòng electron quang hợp đến chức năng xúc tác mong muốn. “Lần đầu tiên, chúng tôi đã có thể đo lường việc cung cấp năng lượng quang hợp trực tiếp trong các tế bào theo cách giải quyết theo trình tự thời gian để chúng tôi có thể xác định các nút thắt trong quá trình trao đổi chất,” Marc Nowaczyk từ Chủ tịch Hóa sinh thực vật tại Đại học Ruhr Bochum cho hay. "Chúng tôi đã tắt hệ thống trong bộ gen của vi khuẩn lam có nhiệm vụ bảo vệ tế bào khỏi ánh sáng dao động. Hệ thống này không thực sự cần thiết trong điều kiện canh tác có kiểm soát, nhưng tiêu thụ năng lượng quang hợp. Năng lượng mà chúng tôi muốn đưa vào phản ứng đích" - Hanna Büchsenschütz, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Công nghệ Graz và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu giải thích. Bằng cách này, vấn đề năng suất thấp của vi khuẩn lam do mật độ tế bào cao có thể được giải quyết. "Nói cách khác, chúng ta chỉ có thể sử dụng một lượng tế bào nhất định. Đó là lý do tại sao chúng ta phải làm cho các tế bào hoạt động nhanh hơn. Chúng tôi đã phát triển một phương pháp sử dụng kỹ thuật trao đổi chất giúp vi khuẩn lam trở nên phát triển hơn rất nhiều cho ứng dụng công nghệ sinh học ", ông Kourist nói.

Ngoài việc tăng năng suất của chính tế bào thông qua các biện pháp can thiệp có định hướng ở cấp độ gen, các nhà nghiên cứu của Graz cũng đang nghiên cứu các khái niệm mới cho quy trình nuôi trồng tảo. Cách tiếp cận là đưa các nguồn sáng trực tiếp vào huyền phù tế bào, ví dụ qua đèn LED mini. Các dạng mô hình hình học mới cũng đang được thử nghiệm. Do đó, vi khuẩn lam ở dạng những quả cầu nhỏ được bao bọc, được gọi là "hạt", có thể hấp thụ nhiều ánh sáng hơn, xét về mặt tổng thể. Robert Kourist nhận xét: "Điều vô cùng quan trọng là phải phát triển tất cả các biện pháp trên con đường ứng dụng công nghiệp quy mô lớn các chất xúc tác sinh học dựa trên tảo theo cách tích hợp. Điều này chỉ có thể thực hiện được với nghiên cứu liên ngành để xem xét chức năng của một loại enzym cũng giống như khi chúng ta xem xét kỹ thuật trong tế bào quang hợp. "

Link gốc: https://phys.org/news/2020-10-cyanobacteria-green-catalysts-biotechnology.html