Đi tìm Enzyme giúp phân hủy vải và polyester

Gregg Beckham, nhà nghiên cứu cấp cao tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ (NREL) và Giám đốc điều hành của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), giải thích: “Thực tế là hầu hết sản phẩm PET, đặc biệt là quần áo và thảm PET, ngày nay không được tái chế bằng công nghệ thông thường. Cộng đồng nghiên cứu đang phát triển một số giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, bao gồm các enzym được thiết kế để khử polyme hóa PET, nhưng ngay cả những lựa chọn này cũng có xu hướng dựa vào những bước tiền xử lý tốn nhiều năng lượng để có hiệu quả”. Do đó, hầu hết PET được sản xuất ngày nay cuối cùng cũng tìm được đường vào các bãi chôn lấp hoặc môi trường. Tuy nhiên, Beckham cho rằng câu chuyện đang thay đổi nhanh chóng.

Những phương pháp tiên tiến trong học máy và sinh học tổng hợp mang đến cho nhà khoa học cái nhìn chưa từng có về sinh học cơ bản của các enzym phân hủy PET. Beckham và nhóm đồng nghiệp tại Đại học Portsmouth và Đại học bang Montana sử dụng các phương pháp này để khám phá những biến thể enzyme mới hứa hẹn phân hủy ngay cả loại PET cứng nhất mà không cần xử lý gì thêm. Điều đó không chỉ có nghĩa là chúng ta đang trên đà tái chế bằng enzym cho mọi dạng PET, bao gồm cả thảm và quần áo - mà còn có nghĩa là việc tái chế PET rẻ hơn so với việc tái chế từ đầu bằng dầu mỏ.

Enzyme phi thường ẩn trong đất bẩn

Khái niệm tái chế PET bằng enzym được biết đến từ năm 2005, nhưng nổi lên trên toàn thế giới vào năm 2016 sau khi một nhóm nhà khoa học Nhật Bản có một khám phá đáng ngạc nhiên. Bị chôn vùi trong lớp đất bên ngoài một cơ sở tái chế ở Nhật Bản, một loại vi khuẩn mà họ đặt tên là Ideonella sakaiensis lặng lẽ tiết ra enzym phân hủy những chai nước giải khát bằng nhựa nằm rải rác xung quanh. Thiên nhiên đã cung cấp một giải pháp tao nhã để tách mọi liên kết hóa học của PET. Bằng cách nào đó, tự nhiên chứng minh làm thế nào để biến chai PET trở lại những thành phần cơ bản mà từ đó chúng được tạo ra: axit terephthalic và ethylene glycol.

Một loạt nghiên cứu theo sau. Cộng đồng nhà khoa học tìm cách tăng cường enzym để sử dụng trong các công nghệ công nghiệp được trang bị để xử lý hàng triệu tấn PET sản xuất hàng năm. Nếu được cải thiện, một nền tảng tái chế bằng enzym giúp đại tu những hệ thống tái chế kém hiệu quả hiện nay, giảm năng lượng và khí thải nhà kính, đồng thời thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn cho mọi sản phẩm PET - thậm chí cả thảm và vải không thể tái chế bằng công nghệ thông thường.

John McGeehan, nhà khoa học đứng đầu nhóm nghiên cứu tại Đại học Portsmouth (UoP), cho biết: “Các nhà nghiên cứu nhanh chóng nhận ra tiềm năng sử dụng enzym phân hủy nhựa. Chuyên gia từ một số lĩnh vực đa dạng như dược phẩm và nhiên liệu sinh học có thể sử dụng lại kinh nghiệm nghiên cứu trong nhiều thập kỷ để chế tạo enzym”. Beckham, McGeehan và đồng nghiệp chính là những nhân tố cốt lõi trong nỗ lực toàn cầu nhằm cải thiện quá trình tái chế PET bằng enzym. Nhóm nghiên cứu mô tả enzym cải thiện hiệu quả gấp 6 lần, phân tích tác động môi trường và kinh tế của việc tái chế PET quy mô công nghiệp.

Bằng cách xử lý PET trong 48 giờ trong lò phản ứng sinh học, họ cho thấy có thể chuyển đổi gần 98% nhựa trở lại thành axit terephthalic và ethylene glycol - các khối xây dựng tái chế chất lượng cao để sản xuất chai PET mới hoặc thậm chí là nhựa tiên tiến được thiết kế để trở nên tốt hơn. McGeehan nói thêm: “Thật là một trải nghiệm đáng kinh ngạc khi được làm việc trong một lĩnh vực đang mở rộng nhanh chóng như vậy. Chúng tôi đang đạt đến điểm mà khoa học hợp tác có tiềm năng to lớn giúp đẩy nhanh sự phát triển và triển khai những giải pháp dựa trên enzyme trên quy mô lớn”.

Bất chấp những tiến bộ nhanh chóng, một rào cản chính đối với việc tái chế enzym ở quy mô công nghiệp vẫn xuất hiện. Tuy nhiên, enzym chỉ có hiệu quả trên một tỷ lệ nhỏ sản phẩm PET - những sản phẩm được làm từ PET “vô định hình”. Họ đã phải vật lộn để phân hủy các loại PET “tinh thể” bền, phổ biến mà không làm mềm chúng trước bằng nhiệt độ cao và năng lượng bổ sung. PET kết tinh bao gồm gần 90% tổng số PET được sản xuất, bao gồm sợi polyester trong quần áo và những bộ phận của chai nước giải khát sử dụng một lần. Những gì giới khoa học cần là các enzyme chuyên nghiệp hơn trong việc phá vỡ PET kết tinh.

“Đào bới” các enzym mới

May mắn thay, nhóm nghiên cứu không cần xẻng để đào các loại enzyme mới. Những tiến bộ trong sinh học và học máy đã giúp có được cơ sở dữ liệu rộng lớn về trình tự enzyme hiện có cho mọi hoạt động trên PET tinh thể. Japheth Gado, nhà khoa học máy tính của NREL, nhận định: “Những phương pháp truyền thống để vạch ra enzyme ăn nhựa mới từ cơ sở dữ liệu có thể không hiệu quả, vì các enzyme rất giống nhau về cấu tạo hóa học của chúng có thể không nhất thiết giữ lại hoạt động phân hủy nhựa”.

Để giải quyết thách thức đó, Gado xây dựng một mô hình thống kê để tìm hiểu quy tắc sinh học của các enzym phân hủy nhựa đã biết. Mô hình chỉ định xác suất cho thành phần độc đáo của những enzyme được nghiên cứu cho đến nay. Gado cũng xây dựng một mô hình máy học đồng hành cho phép dự đoán khả năng chịu nhiệt của enzyme - điều quan trọng đối với ứng dụng công nghiệp. Cùng với nhau, hai mô hình tính toán cho phép Gado và đồng nghiệp dự đoán những điều chưa biết. Trong vòng chưa đầy 1 giờ, họ đã sàng lọc hơn 250 triệu protein để tạo ra một danh sách ngắn những ứng cử viên đầy triển vọng. Thử nghiệm thêm xác nhận 36 chất có thể phân hủy PET và 24 chất trước đây chưa được mô tả trong tài liệu khoa học. Điều quan trọng là, một số thậm chí còn tốt hơn trong việc phá vỡ PET kết tinh so với PET vô định hình.

Gado giải thích: “Những enzym mới này không chỉ đa dạng về mặt di truyền. Chúng có cấu trúc đa dạng với hình học khác nhau của các vị trí hoạt động”. Gado có thể nói một cách tự tin về cấu trúc của 24 enzym mới bởi vì ông nhìn thấy chúng trông như thế nào - ít nhất là trong tập hợp bản vẽ 3D do nhóm nhà nghiên cứu tại DeepMind, một công ty con của Alphabet, cung cấp. Được biết đến với việc lập bản đồ “toàn bộ vũ trụ protein” bằng công cụ học sâu AlphaFold, DeepMind mô tả các enzym để nhóm có thể so sánh những enzym cạnh nhau và lưu ý sự khác biệt của chúng. Tất cả đều có khả năng phân hủy PET, nhưng một số trông rất khác biệt với nhau. Theo Gado, kết xuất từ DeepMind cung cấp manh mối vô giá về cách các enzym phân hủy nhựa hoạt động trên PET.

Gado cho biết thêm: “Những phương pháp AI tiên tiến nhất giúp chúng tôi tìm ra các mẫu trong dữ liệu enzyme sẽ cung cấp hiểu biết nâng cao về điều gì tạo nên một loại enzyme ăn nhựa tốt. Điều này cho phép chúng tôi cải thiện enzyme bằng kỹ thuật protein và tìm ra các enzyme khác trong tự nhiên tương tự về hiệu suất”. Đó là một bước tiến gần hơn đến việc thực hiện tái chế PET trên quy mô lớn.

Rẻ hơn và xanh hơn

Theo Beckham, làm sạch, cắt nhỏ và làm nóng - những bước cần thiết để chuẩn bị PET cho quá trình phân hủy - là một trong những yếu tố thúc đẩy tính bền vững quan trọng nhất cho một cơ sở tái chế enzym quy mô công nghiệp. Beckham giải thích: “Việc giảm thiểu những bước tiền xử lý này là rất quan trọng cho phép chi phí tái chế bằng enzym cạnh tranh với việc tạo ra nhựa PET từ dầu mỏ. Trong loạt thí nghiệm tiếp theo, nhóm nghiên cứu lưu ý một số enzyme được đánh dấu bằng phương pháp học máy của họ có hiệu quả như nhau trong việc phá vỡ PET kết tinh và vô định hình. Đơn giản là những enzyme đó không cần tiền xử lý để giúp làm mềm các liên kết của nhựa. Bằng cách loại bỏ quá trình tiền xử lý, công nghệ này cho phép tái chế PET ở quy mô công nghiệp mà thực sự rẻ hơn so với sản xuất PET nguyên chất sử dụng dầu mỏ. Thậm chí tốt hơn, nó giúp giảm năng lượng liên quan và khí thải nhà kính”.

Trong một bài báo xuất bản trên Joule, nhóm định lượng được lợi ích kinh tế và môi trường của việc sử dụng các enzym hoạt động trên PET kết tinh. Tại một cơ sở quy mô công nghiệp, làm như vậy có thể giảm 45% nhu cầu năng lượng của chuỗi cung ứng và giảm 38% lượng khí thải nhà kính trong vòng đời so với những hệ thống sử dụng tiền xử lý. Những lợi thế kinh tế cũng không kém phần ấn tượng. Khi phân hủy thảm và quần áo PET phế thải - không thể tái chế bằng công nghệ thông thường - họ cũng có thể sản xuất axit terephthalic với giá dưới 1 USD/kg. Axit terephthalic có nguồn gốc từ dầu mỏ từng được bán với giá từ 1 đến 1,50 USD mỗi kg. Erika Erickson, cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của NREL, người thực hiện nhiều công việc thử nghiệm đằng sau loạt nghiên cứu, bình luận: “Nền tảng enzym của chúng tôi tạo ra động lực kinh tế giúp làm sạch đại dương của chúng ta. Ở mức giá như vậy, ô nhiễm PET được tái chế thành những sản phẩm PET mới hoặc tìm mục đích mới trong cánh quạt tuabin gió hoặc tấm cản bằng sợi carbon”.

Mọi sản phẩm PET sau tiêu dùng, thường là nguồn gây ô nhiễm ngày nay, có thể được chuyển đổi thành các nguồn tài nguyên quý giá giúp hỗ trợ nền kinh tế nhựa bền vững hơn với môi trường. Không khó để tưởng tượng điều này có thể lật ngược câu chuyện về nhựa như thế nào: PET quá rẻ để tái chế đến nỗi mọi nền kinh tế ủng hộ việc ném nó vào thùng tái chế thay vì thùng rác. Một chiếc áo phông, một tấm thảm, một chai nước ngọt - tất cả đều được sử dụng và bắt đầu hành trình vòng tròn của chúng như những viên gạch xây dựng để tạo ra một thế giới xanh hơn, sạch hơn.