Chế tạo “Siêu Enzyme” bằng AI và tiềm năng ứng dụng trong xử lý rác thải nhựa

Những lo ngại về môi trường ngày càng tăng liên quan đến việc sử dụng nhựa đang thúc đẩy việc phát triển và ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong xử lý rác thải nhựa vì chúng chứa các chất ô nhiễm gây hại cho thực vật, động vật, con người và tồn tại trôi nổi hàng nghìn năm nếu không được xử lý.

(Hình 1. Minh họa ô nhiễm rác thải nhựa tại Việt Nam)

(Nguồn:https://anphatholdings.com/hoat-dong-moi-truong/van-nan-rac-thai-nhua-o-viet-nam-bien-phap-nao-xu-ly.html và https://vtv.vn/trong-nuoc/viet-nam-xep-thu-4-tren-the-gioi-ve-xa-rac-thai-nhua-ra-bien-20190311175349278.htm)

Những quy định nghiêm ngặt của chính phủ các nước khác nhau với mục tiêu giảm thiểu chất thải nhựa khiến nhu cầu của thị trường về các loại vật liệu trong xử lý rác thải nhựa ngày một tăng lên. Điều này thôi thúc các nhà khoa học vào cuộc một cách quyết liệt nhằm phát triển các thế hệ vật liệu mới, đặc biệt là các loại vật liệu sinh học ứng dụng trong xử lý rác thải nhựa.
Gần đây, các nhà khoa học tại Đại học Texas, Austin, Hoa Kì công bố một kết quả nghiên cứu mang tính đột phá trên tạp chí Nature [1], trong đó một biến thể enzyme được tạo ra có thể phân hủy chất thải nhựa trong vòng vài giờ đến vài ngày thay vì phải mất hàng thế kỉ như chu trình thông thường của tự nhiên. Khám phá này có thể giúp giải quyết một trong những vấn đề môi trường cấp bách nhất của thế giới, khi rác thải nhựa đang gây ô nhiễm đất và nguồn nước một cách nghiêm trọng. Loại enzyme này có khả năng tái chế nhựa trên quy mô lớn cho phép các ngành công nghiệp giảm tác động đến môi trường bằng cách thu hồi và tái sử dụng nhựa ở cấp độ phân tử.
Nghiên cứu tập trung vào việc phân hủy polyethylen terephthalat (PET), một loại polyme quan trọng được sử dụng cho sản xuất bao bì tiêu dùng, bao gồm hộp đựng bánh, chai nước ngọt, bao bì trái cây, salad, một số loại sợi và vải dệt,… Loại nhựa này chiếm đến 12% tổng lượng rác thải toàn cầu.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một mô hình học máy (machine-learning algorithm) để tạo ra các đột biến mới cho một loại enzyme tự nhiên gọi là PETase. Thuật toán lần đầu tiên được huấn luyện trên 19.000 protein có kích thước tương tự nhau. Đối với mỗi loại trong số 290 axit amin của PETase, chương trình đã kiểm tra xem nó có phù hợp với môi trường cấu trúc tức thời hay không so với các protein khác. Hal S. Alper, tác giả liên hệ của bài báo, giải thích rằng một axit amin không phù hợp có thể là nguồn gây mất ổn định và thuật toán sẽ đề xuất một axit amin khác để thay thế. Trong số hàng triệu sự kết hợp có thể có, nhóm nghiên cứu đã đưa ra ba sự thay thế axit amin được đề xuất và enzyme mới được tạo thành, được gọi là FAST-PETase (Functional, Active, Stable, and Tolerant PETase).

(Hình 2. Quá trình thực hiện các thay đổi có mục tiêu đối với một loại enzyme có thể phân hủy nhựa đã được máy học đưa ra [1])

Ở 50°C, FAST-PETase có hoạt tính gần như gấp đôi enzyme PETase ở 70°C trong việc thủy phân mẫu hộp đựng thực phẩm làm từ nhựa PET. Enzyme này thậm chí đã thủy phân toàn bộ khay bánh nhựa trong vòng 48 giờ và nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể tạo ra một món đồ nhựa mới từ hộp nhựa đã được thủy phân. Thêm vào đó, FAST-PETase còn có thể thủy phân được gần như hoàn toàn 51 sản phẩm PET khác nhau chưa qua xử lý trong thời gian một tuần.

(Hình 3. FAST-PETase có thể thủy phân một hộp nhựa chưa qua xử lý trong vòng 48 giờ [1])

Andrew Ellington, giáo sư tại Trung tâm hệ thống và sinh học tổng hợp (Hoa Kì), đã đánh giá “Công trình này thực sự thể hiện sức mạnh của việc kết hợp các lĩnh vực công nghệ khác nhau, từ sinh học phân tử, kỹ thuật hóa học đến trí tuệ nhân tạo” [2].
Tái chế là phương pháp tốt nhất để giảm thiểu lượng rác thải nhựa. Tuy nhiên hiện nay có ít hơn 10% tổng số rác thải nhựa trên toàn cầu được tái chế. Phương pháp phổ biến nhất để xử lý nhựa chính là đốt. Việc này rất tốn kém, tiêu tốn nhiều năng lượng và phát tán khí độc vào không khí. Các giải pháp sinh học để xử lý rác thải nhựa tiêu tốn ít năng lượng. Nghiên cứu về các enzyme để tái chế nhựa đã được phát triển trong suốt 15 năm qua và sự thành công của FAST-PETase đã tạo tiền đề cho nhóm nghiên cứu để mở rộng quy mô sản xuất enzyme để chuẩn bị cho ứng dụng ở quy mô công nghiệp.
Với chức năng, nhiệm vụ là nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ trong lĩnh vực vật liệu mới, trong giai đoạn 2020-2025, một trong những định hướng chính của Trung tâm Công nghệ vật liệu – Viện Ứng dụng công nghệ là tập trung nghiên cứu vào phát triển các công nghệ về vật liệu thân thiện môi trường, có khả năng phân hủy sinh học và các công nghệ tái chế nhựa tiên tiến ứng dụng vào thực tế phát triển nền kinh tế tuần hoàn theo chiến lược xây dựng kinh tế – xã hội của chính phủ hiện nay./.

Tài liệu tham khảo:
[1]Hongyuan Lu et. al, Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization. 2022. Nature, Vol. 604 (662–667). DOI: 10.1038/s41586-022-04599-z.
[2]https://startuptoenterprise.com/technology-news/scientists-invent-fast-petase-enzyme-to-biodegrade-plastic/

Nguồn: Trung tâm Công nghệ vật liệu sưu tầm