Khi biến đổi khí hậu tiếp tục gây ra nhiều thiệt hại hơn cho hành tinh của chúng ta, các nhà khoa học đang nỗ lực tìm ra những cách hiệu quả hơn và sạch hơn để cung cấp năng lượng cho trái đất.
Một giải pháp thay thế hấp dẫn cho các quy trình hóa dầu phổ biến tạo ra khí nhà kính đáng kể và các chất thải khác có thể đến từ các hệ thống sinh học.
>> Tham khảo: Phương pháp trí tuệ nhân tạo có thể giúp xác định những người sống sót sau ung thư hắc tố có nguy cơ tái phát ung thư cao.
Công trình gần đây của Michael Jewett của Northwestern Engineering và các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas ở Austin đã dẫn đến những tiến bộ trong hiểu biết về các con đường sinh hóa và tăng tỷ lệ sản xuất hóa chất của các hệ thống sinh học.
Những phát hiện này có thể đưa chúng ta đến gần hơn với việc thực hiện các giải pháp thay thế bền vững để tổng hợp vật liệu, nhiên liệu và các sản phẩm có nguồn gốc từ dầu mỏ khác.
Bài báo “Khung tích hợp In Vivo/In Vitro để tăng cường quá trình sinh tổng hợp không có tế bào với chất chiết xuất từ nấm men được chuyển hóa theo cơ chế trao đổi chất,” được xuất bản vào ngày 26 tháng 8 trên tạp chí Nature Communications, mô tả sự phát triển của các quy trình sinh tổng hợp trong ống nghiệm (sản xuất hóa sinh) được tối ưu hóa sử dụng tế bào. chiết xuất từ các chủng Saccharomyces cerevisiae (men bia) đã được thiết kế.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu kỹ thuật phát triển công nghệ đột phá để đo chuyển động quay của tế bào.
Cùng với Jewett, Walter P. Murphy, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Sinh học tại Trường Kỹ thuật McCormick, bài báo được viết bởi Blake Rasor, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Jewett. Cuộc điều tra được tiến hành với sự cộng tác của nhóm nghiên cứu của Hal Alper, giáo sư tại Đại học Texas ở Austin.
Công trình được hỗ trợ thông qua Chương trình cơ hội công nghệ mới nổi (ETOP) của Viện năng lượng chung của Bộ năng lượng Hoa Kỳ.
ETOP cung cấp kinh phí để gieo mầm cho sự phát triển của các công nghệ mới được cung cấp cho các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới, những người khai thác các chương trình người dùng của JGI để thúc đẩy các ứng dụng về năng lượng và môi trường.
Nhiều thập kỷ nghiên cứu về trao đổi chất và phát triển công cụ di truyền khiến S. cerevisiae trở thành một khuôn khổ có thể kiểm soát cao để sản xuất sinh hóa.
Ngoài các ứng dụng lịch sử trong làm bánh và sản xuất bia, loại men này đã được thiết kế để tạo ra vô số phân tử mục tiêu được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và trị liệu.
>> Tham khảo: Phân bón hạn chế sự thụ phấn bằng cách thay đổi cách ong nghệ cảm nhận hoa.
Tuy nhiên, các hệ thống sản xuất tế bào có một cuộc chiến nội bộ giữa việc tạo ra nhiều tế bào hơn và tạo ra sản phẩm được thiết kế.
Nhóm của Jewett tránh được những hạn chế về khả năng sinh trưởng và khả năng tồn tại này bằng cách phá vỡ bộ máy sinh học ra khỏi tế bào và sử dụng vật liệu được chiết xuất cho các phản ứng sinh hóa không có tế bào, cho phép tối ưu hóa các đòn bẩy không dễ điều chỉnh trong tế bào sống.
Trước đây, các nỗ lực sinh tổng hợp không có tế bào với chiết xuất tế bào thô chủ yếu sử dụng các chủng E. coli chưa biến đổi.
Các nhà nghiên cứu đã mở rộng phạm vi của kỹ thuật này bằng cách sử dụng chiết xuất từ S. cerevisiae và bằng cách kết hợp các kỹ thuật chuyển hóa tế bào để nâng cao tiềm năng sinh tổng hợp của các phản ứng không có tế bào.
Điều này chứng tỏ rằng quá trình trao đổi chất trong tế bào tạo ra các chất chiết xuất có thể tích đầu ra lớn hơn so với các chất chiết xuất kiểu tự nhiên (không thay đổi) và nuôi cấy tế bào tương ứng.
>> Tham khảo: Các nhà khoa học tạo ra một kho lưu trữ toàn cầu cho kỹ thuật tế bào.
Cụ thể, việc sản xuất ba sản phẩm hóa học không có tế bào (butanediol, glycerol, axit itaconic) với tốc độ nhanh hơn tới 10 lần so với các phương pháp tiếp cận tế bào tương ứng cho thấy tính linh hoạt và hiệu quả của việc tích hợp kỹ thuật tế bào với quá trình sinh tổng hợp không có tế bào.
Rasor cho biết: “Điều này có thể mở rộng bề rộng của các nền tảng sinh học làm nền tảng cho các nỗ lực về tính bền vững.
Jewett, giám đốc Trung tâm Sinh học tổng hợp cho biết: “Công việc của chúng tôi tiếp tục tham gia vào một lĩnh vực khoa học mới nổi tìm cách sử dụng các hệ thống không có tế bào từ chiết xuất tế bào thô để thiết kế chức năng tế bào, sản xuất sinh học theo yêu cầu và chẩn đoán di động”.
“Thật vậy, những nỗ lực này đang mở rộng định nghĩa về sản xuất sinh học để xây dựng một nền kinh tế sinh học bền vững.”
>> Tham khảo: Bản in sinh học để sửa chữa xương được cải thiện bằng gen.
Đối với các bước tiếp theo, Jewett cho biết ông và các cộng tác viên của mình đang xây dựng công trình này để tạo nguyên mẫu con đường trong bối cảnh quá trình trao đổi chất bị thay đổi và sản xuất sinh học không có tế bào để bổ sung cho các phương pháp tiếp cận dựa trên tế bào hiện tại.
“Mở rộng chiến lược kỹ thuật trao đổi chất không có tế bào/tế bào tích hợp sang các chủng nấm men sản xuất các sản phẩm sinh hóa có giá trị gia tăng khác và tăng quy mô phản ứng không có tế bào có thể dẫn đầu sự phát triển của các giải pháp thay thế bền vững, khả thi về mặt kinh tế cho các quy trình sản xuất hóa chất hiện tại”, ông nói.
