Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Munich đã chế tạo một hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng chuyển đổi carbon dioxide và hydro tái tạo thành axit amin. Quá trình này có cấu trúc mô-đun, dựa trên enzyme và hiện đang ở giai đoạn chứng minh tính khả thi. Nó chưa có ứng dụng thương mại nào. Điều mà nó cho thấy là điện năng tái tạo, thu giữ carbon và sản xuất sinh hóa có thể hoạt động như một chuỗi liên kết duy nhất.
Cơ chế hoạt động của hệ thống enzyme
Quá trình này diễn ra theo từng giai đoạn. Điện năng tái tạo trước tiên tạo ra hydro thông qua quá trình điện phân. Hydro đó kết hợp với carbon dioxide để tạo thành methanol. Sau đó, các enzyme chuyên biệt sẽ xúc tác methanol qua một loạt các phản ứng cho đến khi nó trở thành các axit amin, các khối cấu tạo cơ bản của protein.
Nhóm nghiên cứu mô tả thiết kế này là “cắm và chạy”. Các mô-đun enzyme có thể được thay thế hoặc điều chỉnh tùy thuộc vào hợp chất mục tiêu. Phiên bản mới nhất tạo ra bảy axit amin. Nghiên cứu trước đó đã chứng minh phương pháp này chỉ dành cho L-alanine. Nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Nature Communications, bổ sung thêm glycine, serine, axit L-aspartic, L-valine, axit L-glutamic và L-proline.
Viktoria Lehmann, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Hóa học Tài nguyên Sinh học của Đại học Kỹ thuật Munich (TUM), cho biết axit amin được sử dụng rộng rãi trong thức ăn chăn nuôi để bổ sung nhu cầu protein, đặc biệt là trong sản xuất sữa. Bà cho rằng các phương pháp sản xuất hiện tại tiêu tốn quá nhiều tài nguyên.
Nhóm nghiên cứu của TUM đặt nghiên cứu này trong bối cảnh một vấn đề nông nghiệp cấp bách. Dự báo của Liên Hợp Quốc cho thấy nhu cầu lương thực toàn cầu có thể tăng khoảng 60% vào năm 2050. Trong khi đó, diện tích đất nông nghiệp sẵn có dự kiến chỉ tăng nhẹ trong cùng kỳ.
Bối cảnh an ninh lương thực
Khoảng trống đó đang thúc đẩy sự quan tâm đến các chuỗi cung ứng protein ít phụ thuộc vào đất đai, nước và cây trồng tiêu tốn nhiều năng lượng. Sản xuất axit amin truyền thống tiêu thụ một lượng đáng kể các yếu tố này. Một lộ trình dựa trên năng lượng mặt trời và CO₂ sẽ giảm sự phụ thuộc vào các yếu tố đầu vào đó, ít nhất là về nguyên tắc.
Volker Sieber, giáo sư hóa học tài nguyên sinh học và hiệu trưởng của Cơ sở Straubing thuộc Đại học Kỹ thuật Munich (TUM), cho biết dự án này chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành các chất mang năng lượng hóa học trước khi chuyển đổi chúng thành các khối cấu tạo protein hữu ích. Ông cho rằng phương pháp này, theo thời gian, có thể cải thiện năng suất của đất đai hiện có và hỗ trợ sản xuất axit amin bền vững hơn.
Những tuyên bố đó vẫn cần được kiểm chứng trên quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng sản lượng hiện tại còn quá thấp để có thể triển khai thương mại.
Nhóm nghiên cứu TUM đã xác định được các ứng dụng vượt ra ngoài lĩnh vực dinh dưỡng chăn nuôi. Bảy axit amin mà hệ thống hiện đang sản xuất cũng là những thành phần quan trọng trong môi trường nuôi cấy thịt. Ứng dụng này kết nối công nghệ với một nỗ lực riêng biệt nhưng có liên quan nhằm giảm thiểu tác động của đất đai đến nguồn cung cấp protein.
Các ứng dụng tiềm năng ngoài lĩnh vực thức ăn chăn nuôi
Các nhà nghiên cứu tin rằng nền tảng tương tự cuối cùng có thể hỗ trợ các chuỗi giá trị dựa trên CO₂ khác, mặc dù họ không nêu rõ đó là chuỗi nào trong các tài liệu đã công bố.
Ưu tiên kỹ thuật trước mắt là cải thiện hiệu suất enzyme. Năng suất vẫn là yếu tố hạn chế chính. Khoảng cách giữa việc chứng minh trong phòng thí nghiệm và quy trình công nghiệp là rất đáng kể, và nhóm nghiên cứu thẳng thắn thừa nhận điều đó.
Nghiên cứu cho thấy điều gì và không cho thấy điều gì.
Đây là một thí nghiệm sinh học tổng hợp. Nó cho thấy con đường hóa học này khả thi. Tuy nhiên, nó không chứng minh được rằng quy trình này có thể sản xuất axit amin với số lượng cạnh tranh về chi phí.
Bài báo trên tạp chí Nature Communications là nguồn thông tin chính thức đã được xác minh. TUM chưa công bố đối tác thương mại hoặc nhà máy thí điểm. Chưa có kế hoạch cụ thể nào được công bố về việc mở rộng quy mô.
Đối với các nhà đầu tư và nhà hoạch định chính sách đang theo dõi lĩnh vực protein thay thế, nghiên cứu này đáng chú ý vì một lý do cụ thể. Nó liên kết ba lĩnh vực công nghệ riêng biệt – năng lượng tái tạo, sử dụng carbon trực tiếp từ không khí và sinh hóa chính xác liền kề quá trình lên men – thành một chuỗi sản xuất duy nhất. Mỗi lĩnh vực đó đều đã thu hút được nguồn vốn đáng kể. Một hệ thống tích hợp cả ba lĩnh vực này, nếu năng suất được cải thiện đáng kể, có thể thay đổi nền kinh tế cung cấp axit amin cho các nhà sản xuất thức ăn chăn nuôi và thực phẩm.
Các nhà nghiên cứu cũng khá thận trọng trong những tuyên bố của mình. Công trình này hướng đến một phương pháp sản xuất nguyên liệu thô ít phụ thuộc vào đất đai hơn, trong khi hệ thống lương thực hiện đại lại đang dựa vào những nguyên liệu này. Liệu một phiên bản công nghiệp của quy trình này có thể ra đời hay không sẽ phụ thuộc vào những tiến bộ trong kỹ thuật enzyme, vốn vẫn đang vượt xa khoa học hiện tại.
