Các Nhà Khoa Học Tìm Ra Enzyme Dùng Ánh Sáng Tạo Ra Nhiên Liệu

Khoa học đã chứng minh rằng, chất béo được hình thành lên từ các axit béo chứa 3 loại nguyên tử là carbon, hydro và oxy. Các quá trình sinh hóa trong cơ thể cuối cùng biến chúng thành nước (H2O) và khí carbonic (CO2), là thứ con người bài tiết và thở ra ngoài.

Các nhà khoa học nhận thấy xăng dầu cũng được cấu tạo thành từ carbon và hydro. Nếu tìm ra một cách hiệu quả để loại bỏ oxy ra khỏi chất béo, thứ nhận được chính là nhiên liệu cho động cơ đốt trong.

Điểm chung giữa chất béo và xăng dầu:

Thực tế, xăng dầu là một hỗn hợp của các phân tử hydrocarbon. Đúng như tên gọi, các phân tử chỉ được tạo thành từ hai loại nguyên tử là hydro và carbon. Các hydrocarbon đơn giản có công thức chỉ gồm một chuỗi nguyên tử C (carbon) thẳng, không phân nhánh. Nghĩa là một nguyên tử C chỉ liên kết tối đa với hai nguyên tử C khác.

Trong khi đó, xăng dầu được chế biến sau quá trình lọc dầu thô tại nhà máy lại chủ yếu chứa hydrocarbon phân nhánh. Có nghĩa là mạch carbon chia thành nhiều nhánh, và một nguyên tử C có thể liên kết với 3 hoặc 4 nguyên tử C.

Có thể thấy chất béo cũng giống như hydrocarbon. Chúng gồm có một mạch dài của hơn 20 nguyên tử C và các nguyên tử hydro. Điểm khác biệt là, nguyên tử C ở cuối mạch có thể liên kết với 2 nguyên tử oxy. Nó tạo thành nhóm carboxyl.

Sự hiện diện của chỉ 1 nhóm carboxyl đã làm thay đổi toàn bộ tính chất của phân tử hydrocarbon. Khác với xăng dầu, chất béo dễ đóng rắn hay đông đặc ngay ở nhiệt độ bình thường. Chất béo cũng có thể được hòa tan vào nước tạo ra môi trường axit yếu.

Vì sự có mặt của 2 nguyên tử oxy mà không thể đổ dầu mỡ vào bình xăng để làm nhiên liệu cho động cơ xe máy hoặc xe hơi. Trừ khi tìm ra cách để loại bỏ 2 nguyên tử oxy khỏi chuỗi hóa học, hoặc cắt đứt nguyên tử C cuối mạch chất béo để chúng trở lại thành hydrocarbon. Đây là điều không dễ làm. Xét trên phương diện hóa học, liên kết của nguyên tử C gắn với oxy mạnh hơn các nguyên tử khác trong mạch. Nên các phản ứng hóa học thông thường chỉ phá vỡ được một hoặc vài liên kết của các nguyên tử C giữa mạch.

Các phương pháp thay thế hoặc loại bỏ oxy khỏi phân tử chất béo đều có xu hướng đòi hỏi nhiều bước. Mỗi bước trong đó đều không hiệu quả khi đòi hỏi năng lượng đầu vào lớn nhưng hiệu suất lại nhỏ hơn 1%.

Khoảng đầu tháng 09/2017, nhóm các nhà khoa học Pháp đã tìm ra được cách hiệu quả để biến chất béo trở lại thành hydrocarbon có thể sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu. Họ sử dụng một loài tảo và năng lượng đầu vào là ánh sáng mặt trời. Ở phương diện sinh học, phản ứng khá thú vị. Vì đây là một trong số ít những phản ứng đòi hỏi sự tham gia của ánh sáng như một năng lượng đầu vào.

Hầu hết sinh vật sống trên Trái đất đều phụ thuộc trực tiếp hoặc gián tiếp và ánh Mặt trời. Nhưng có duy nhất 3 phản ứng sinh học đòi hỏi ánh sáng như một nguồn tham gia phản ứng. 2 trong số đó nằm trong quá trình quang hợp. Một phản ứng có chức năng sửa chữa hư hỏng DNA. Phản ứng mới được các nhà khoa học Pháp phát hiện là phản ứng thứ 4.

Để tìm ra được phản ứng độc đáo mới, các nhà khoa học đã thu thập tảo, nghiền nát và lọc ra các protein, được nghi ngờ có khả năng chuyển chất béo thành hydrocarbon. Từ một số lượng ban đầu với hàng trăm protein, nhóm nghiên cứu đã sàng lọc ra 10 loại, sau đó tìm ra một loại enzyme duy nhất chưa từng được biết đến.

Gen của nó được giải mã và tinh chỉnh để cấy vào vi khuẩn. Các nhà khoa học tiếp tục quan sát thấy hiện tượng chuyển đổi chất béo thành hydrocabon. Phản ứng xảy ra khi ánh sáng chiếu vào có màu xanh nước biển. Nhưng khi được chiếu ánh sáng đỏ, các enzyme dừng lại không phản ứng. Để chắc chắn enzyme đã cắt hoặc được nhóm carboxyl, nhóm nghiên cứu chọn ra một chất béo có mạch C giống hệt một hydrocarbon. Chất béo được cho phản ứng với enzyme, các nhà khoa học quan sát sản phẩm thu được và xác nhận đó chính là loại hydrocarbon đồng vị và cùng với khí CO­2.

Tại sao một enzyme có thể chuyển chất béo thành hydrocarbon? Và tại sao quá trình lại cần ánh sáng xanh?

Ánh sáng xanh nước biển có bước sóng và mang năng lượng phù hợp cho "flavin adenine dinucleotide", một thành phần có trong enzyme hấp thụ. Nó là một hóa chất đóng vai trò đồng phản ứng trong các quá trình hóa sinh.

Khi nghiên cứu sâu hơn flavin adenine dinucleotide, các nhà khoa học nhận thấy chúng thường ở quanh khu vực liên kết của oxy với carbon của phân tử chất béo. Các nhà khoa học dự đoán, ánh sáng xanh đã kích thích flavin adenine dinucleotide lấy một electron từ phân tử chất béo, khiến nó mất ổn định. Chất béo đành phải lấy lại sự cân bằng bằng cách thả ra một nguyên tử carbon và 2 nguyên tử oxy ở gần flavin adenine dinucleotide. Phản ứng tạo ra sản phẩm là khí CO­2 và để lại một mạch hydrocarbon.

Sau đó, mạch hydrocarbon sẽ chiếm lại electron của flavin adenine dinucleotide. Vì đã trở lại trạng thái bình thường, phân tử flavin adenine dinucleotide tiếp tục đi chiếm electron của các phân tử chất béo khác. Quá trình được lặp đi lặp lại một cách tương tự.

Ưu điểm của phản ứng là nó có thể sử dụng ánh sáng mặt trời. Nên nếu xây đựng được một hệ thống chuyển đổi chất béo thành hydrocarbon, nhân loại sẽ không cần bơm thêm vào một nguồn năng lượng hóa học nào để duy trì phản ứng. Bản thân loại enzyme mới được phát hiện cũng rất thú vị. Các nhà khoa học mới chỉ phát hiện rất ít các loại enzyme nhạy cảm với ánh sáng. Đây sẽ là một đề tài thu hút rất nhiều nghiên cứu mới.

Cuối cùng, hệ thống chuyển đổi chất béo thành hydrocarbon hoạt động dựa trên hiệu ứng ánh sáng kích thích electron. Và hoạt động của electron là trung tâm của một loạt các phản ứng hóa học, các nhà khoa học cho biết việc chỉnh sửa enzyme có thể giúp nó phục vụ được nhiều phản ứng hơn. Trong tương lai, có rất nhiều lĩnh vực khác có thể phát triển nhờ các enzyme hấp thụ ánh sáng.