Các nhà nghiên cứu tại Đại học Liverpool đã mở ra tiềm năng mới cho sự phát triển của năng lượng sinh học sạch và bền vững. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications cho thấy cách 'lồng' protein của vi khuẩn có thể được lập trình như những lò phản ứng sinh học kích thước nano để sản xuất hydro.

Carboxysome là một bào quan chuyên biệt của vi khuẩn bao bọc CO₂ cố định cùng enzyme Rubisco thành một lớp vỏ protein giống vi rút. Cấu trúc tự nhiên, tính bán thấm và sự cải thiện xúc tác của các carboxysomes đã truyền cảm hứng cho việc thiết kế và chế tạo các vật liệu nano mới để kết hợp các enzym khác nhau vào vỏ nhằm nâng cao hiệu suất xúc tác.

Bước đầu tiên của nghiên cứu liên quan đến việc các nhà nghiên cứu cài các yếu tố di truyền cụ thể vào vi khuẩn công nghiệp E. coli để tạo ra vỏ cacboxysome rỗng. Họ xác định thêm một 'trình liên kết' nhỏ - được gọi là peptit đóng gói - có khả năng hướng các protein bên ngoài vào trong vỏ.

Đặc tính cực kỳ nhạy cảm với oxy của hydrogenase (enzyme xúc tác quá trình tạo và chuyển đổi hydro) là vấn đề đối với quá trình sản xuất hydro ở vi khuẩn, vì vậy nhóm nghiên cứu đã phát triển các phương pháp để kết hợp hydrogenase có hoạt tính xúc tác vào trong vỏ rỗng.

Chủ nhiệm dự án, Giáo sư Luning Liu, Giáo sư chất sinh học vi sinh vật và kỹ thuật sinh học tại Viện Hệ thống, Sinh học phân tử và tích hợp, cho biết: "Lò phản ứng sinh học mới được thiết kế một cách lý tưởng cho các enzym nhạy cảm với oxy, đánh dấu một bước quan trọng để có thể phát triển và sản xuất một nhà máy sinh học để sản xuất hydro."

Cộng tác với Giáo sư Andy Cooper tại Nhà máy Đổi mới Vật liệu (MIF) tại Đại học, các nhà nghiên cứu sau đó đã thử nghiệm các hoạt động sản xuất hydro của các tế bào vi khuẩn và các phản ứng sinh học nano phân lập về mặt hóa sinh. Hệ phản ứng sinh học nano đã cải thiện ~ 550% hiệu quả sản xuất hydro và khả năng chịu oxy lớn hơn, đối lập với các enzyme không có vỏ bao bọc.

"Bước tiếp theo là tìm ra lời giải cho việc ổn định hệ thống đóng gói và cải thiện năng suất", Giáo sư Liu nói. "Chúng tôi lấy làm vui mừng rằng nền tảng kỹ thuật này sẽ mở ra cánh cửa mới cho các nghiên cứu tương lai nhằm tạo ra một loạt các nhà máy tổng hợp để bao bọc các enzym và phân tử khác nhau cho các chức năng tùy biến."

Tác giả đầu tiên, nghiên cứu sinh Tianpei Li cho hay: "Do biến đổi khí hậu, nhu cầu cấp bách hiện nay chính là giảm phát thải khí carbon dioxide từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Nghiên cứu của chúng tôi dọn đường cho việc chế tạo các máy phản ứng nano dựa trên vỏ cacboxysome để thu hút các enzyme đặc biệt và mở ra cánh cửa cho những khả năng phát triển năng lượng sinh học sạch và bền vững."

Link: https://phys.org/news/2020-11-protein-nanobioreactor-sustainable-bioenergy-production.html