Các nhà khoa học ở Birmingham đã tiết lộ một phương pháp mới để tăng hiệu quả trong quá trình xúc tác sinh học, trong một bài báo đăng trên tạp chí Materials Horizons.
Xúc tác sinh học sử dụng các enzym, tế bào hoặc vi khuẩn để xúc tác các phản ứng hóa học và được sử dụng trong các môi trường như công nghiệp thực phẩm và hóa chất để tạo ra các sản phẩm không thể tiếp cận bằng phương pháp tổng hợp hóa học. Nó có thể sản xuất dược phẩm, hóa chất tốt hoặc nguyên liệu thực phẩm ở quy mô công nghiệp.
Tuy nhiên, một thách thức lớn trong xúc tác sinh học là các vi khuẩn được sử dụng phổ biến nhất, chẳng hạn như men vi sinh và các chủng Escherichia coli không gây bệnh, không nhất thiết phải tốt trong việc hình thành màng sinh học, hệ sinh thái thúc đẩy tăng trưởng hình thành môi trường vi mô bảo vệ xung quanh cộng đồng vi khuẩn và tăng khả năng phục hồi của họ và do đó tăng năng suất.
>> Tham khảo: Một robot chi phí thấp sẵn sàng cho mọi trở ngại.
Vấn đề này thường được giải quyết bằng kỹ thuật di truyền, nhưng các nhà nghiên cứu, Tiến sĩ Tim Overton từ Trường Kỹ thuật Hóa học của trường đại học và Tiến sĩ Francisco Fernández Trillo từ Trường Hóa học*, cả hai đều là thành viên của Viện Vi sinh và Nhiễm trùng, đã bắt đầu tạo ra một phương pháp thay thế để bỏ qua quá trình tốn kém và tốn thời gian này.
Các nhà nghiên cứu đã xác định một thư viện các polyme tổng hợp và sàng lọc chúng về khả năng tạo ra màng sinh học ở E. coli, một loại vi khuẩn là một trong những vi sinh vật được nghiên cứu rộng rãi nhất và thường được sử dụng trong xúc tác sinh học.
Quá trình sàng lọc này đã sử dụng một chủng E. coli (MC4100) được sử dụng rộng rãi trong khoa học cơ bản để nghiên cứu gen và protein và được biết là kém trong việc hình thành màng sinh học, đồng thời so sánh nó với một chủng E. coli PHL644 khác, một chủng nhân tạo thu được thông qua quá trình tiến hóa đó là một cựu màng sinh học tốt.
Quá trình sàng lọc này đã tiết lộ các chất hóa học phù hợp nhất để kích thích sự hình thành màng sinh học. Các polyme kỵ nước hoạt động tốt hơn các polyme cation nhẹ, với các dẫn xuất thơm và dị hợp chất hoạt động tốt hơn nhiều so với các polyme aliphatic tương đương.
>> Tham khảo: Các kỹ sư tìm ra cách tạo ra pin nhỏ hơn và nhẹ hơn.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã theo dõi sinh khối và hoạt động xúc tác sinh học của cả hai chủng đã ủ sự hiện diện của các polyme này và nhận thấy rằng MC4100 phù hợp và thậm chí còn vượt trội so với PHL644.
Các nghiên cứu sâu hơn đã xem xét cách thức các polyme kích thích sự gia tăng mạnh mẽ này trong hoạt động. Ở đây, nghiên cứu chỉ ra rằng các polyme kết tủa trong dung dịch và hoạt động như chất keo tụ, kích thích một quá trình tự nhiên gọi là keo tụ kích hoạt vi khuẩn hình thành màng sinh học.
Tiến sĩ Fernandez-Trillo cho biết: “Chúng tôi đã khám phá một không gian hóa học rộng lớn và xác định các hóa chất và polyme hoạt động tốt nhất giúp tăng hoạt động xúc tác sinh học của E. coli, một con ngựa ô trong công nghệ sinh học. Điều này đã dẫn đến một thư viện nhỏ các polyme tổng hợp làm tăng sự hình thành màng sinh học khi được sử dụng làm chất phụ gia đơn giản để nuôi cấy vi sinh vật. Theo hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, hiện tại không có phương pháp nào mang lại sự đơn giản và linh hoạt này khi thúc đẩy màng sinh học cho vi khuẩn có lợi.”
“Những polyme tổng hợp này có thể bỏ qua nhu cầu giới thiệu các đặc điểm hình thành màng sinh học thông qua chỉnh sửa gen, vốn tốn kém, tốn thời gian, không thể đảo ngược và cần một người có kỹ năng về vi sinh học để thực hiện. Chúng tôi tin rằng phương pháp này có tác động vượt ra ngoài màng sinh học cho xúc tác sinh học. Một chiến lược tương tự có thể được sử dụng để xác định các polyme ứng cử viên cho các vi sinh vật khác như men vi sinh hoặc men và phát triển các ứng dụng mới trong khoa học thực phẩm, nông nghiệp, xử lý sinh học hoặc sức khỏe.”
>> Tham khảo: Cách tiếp cận mới tăng gấp đôi hiệu quả chỉnh sửa tế bào gốc.
Đại học Birmingham Enterprise đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho phương pháp này và các chất phụ gia polyme, và hiện đang tìm kiếm các đối tác thương mại để cấp phép.
*Tiến sĩ Fernandez-Trillo hiện đang ở Đại học Coruña, Tây Ban Nha.
