Sự biến đổi trong quá trình phân hủy Lignin: Hoạt động của các vi sinh vật và enzyme mới

Một ví dụ về cấu trúc lignin. Nguồn: GFDL ver. 1.2 hoặc CC-by-sa ver.

Các nhà nghiên cứu phân lập 8 chủng vi sinh vật mới phân cắt các liên kết của 2-phenoxyacetophenone trong cấu trúc hợp chất lignin.

Lignin là một thành phần chính của thành tế bào thực vật, bị phân hủy tự nhiên trong đất. Việc xác định các vi sinh vật mới tham gia vào quá trình phân hủy có thể giúp thúc đẩy quá trình phân hủy lignin trên hệ thống thực vật. Hiện tại, các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học Tokyo đã phân lập được 8 vi sinh vật phân hủy 2-phenoxyacetophenone (2-PAP) trong cấu trúc hợp chất lignin. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng một trong những vi khuẩn này sử dụng một loại enzyme mới chưa xác định để phân cắt liên kết trong 2-PAP, dẫn đến sự hình thành phenol và benzoate.

Giống như tất cả các dạng sống đã biết, thực vật được cấu tạo bằng chất hữu cơ, bao gồm thành tế bào được làm từ các thành phần khác nhau như lignin, một loại polymer không đồng nhất. Lignin là chất hữu cơ phong phú thứ hai trên trái đất có tiềm năng lớn trong sản xuất hóa chất công nghiệp, chẳng hạn như các hợp chất thơm.

Về mặt hóa học, lignin được tạo thành bởi nhiều tiểu đơn vị liên kết ‘ether’ và liên kết ‘carbon-carbon’, tất cả liên kết sẽ được chia nhỏ khi lignin phân hủy. Ai cũng biết rằng vi sinh vật phân cắt các liên kết ether một cách hiệu quả thông qua viêc sản xuất các enzyme ngoại bào, hỗ trợ cho quá trình phân hủy lignin. Hai vi sinh vật thực hiện sự phân hủy này được xác định là: nấm mục trắng thông qua sản xuất peroxidase và laccase, vi khuẩn Sphingomonad với sự trợ giúp của các enzyme nội bào.

Những phát hiện này đã làm dấy lên nghi ngờ của một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm tiến sỹ Toshiki Furuya và bà Saki Oya từ Đại học Khoa học Tokyo và tiến sỹ Hiroshi Habe từ Viện Khoa học Công nghiệp và Công nghệ Tiên tiến Quốc gia Tokyo về khả năng có những vi sinh vật khác chưa được biết đến phân hủy lignin thông qua các enzyme khác nhau. Việc xác định các vi sinh vật này và tìm ra cách phân hủy lignin giúp nâng cao hiểu biết tổng thể về chu trình carbon và tạo điều kiện thuận lợi cho các ứng dụng công nghệ sinh học của các vi sinh vật để thương mại hóa lignin. Nhóm nghiên cứu cũng nhận ra rằng chưa có nghiên cứu nào trước đây tập trung vào cách vi sinh vật chuyển đổi hoặc phân hủy 2-PAP.

Để tìm câu trả lời cho những câu hỏi này, tiến sỹ Furuya và nhóm của ông đã tiến hành một nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Scientific Reports nhằm sàng lọc các vi sinh vật sử dụng các enzyme phân cắt liên kết ether mới để chuyển đổi 2-PAP. Trước tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp sàng lọc trực tiếp để phân lập vi sinh vật từ đất dựa trên hoạt động phân cắt liên kết ether bằng cách nuôi cấy các vi sinh vật này trên môi trường có chứa acid humic, một hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ đất làm nguồn carbon. Tiếp theo, nhóm nghiên cứu tiến hành ủ các vi sinh vật được phân lập với 2-PAP để kiểm tra cụ thể hoạt động phân cắt liên kết ether 2-PAP. Hoạt động phân cắt liên kết được xác nhận tùy thuộc vào sự có mặt của phenol, thường tạo ra do sự phân cắt liên kết ether.

Điều này dẫn đến việc phân lập không phải một mà là tám vi sinh vật chuyển đổi 2-PAP! Nhóm vi sinh vật gồm 7 vi khuẩn từ chi Acinetobacter, Cupriavidus, Nocardioides, Streptomyces và 1 loại nấm từ chi Penicillium. Tiến sỹ Furuya nhấn mạnh khi được hỏi về những kết quả này: “Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là những vi sinh vật đầu tiên được chứng minh có thể phân cắt liên kết ether của 2-PAP”.

Trong số các vi sinh vật được phân lập, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra một vi khuẩn gram âm là Acinetobacter sp. TUS-SO1 được mô tả và phát hiện rằng vi khuẩn này phân cắt chọn lọc và oxy hóa các liên kết ether trong 2-PAP để tạo ra phenol và benzoate. Điều này đặc biệt đáng ngạc nhiên bởi vì β-etherase, một loại enzyme đã được nghiên cứu kỹ lưỡng được biết đến để thực hiện quá trình phân cắt này, tạo ra phenol và acetophenone. Điều này ngụ ý rằng chủng vi khuẩn này phân cắt liên kết ether của 2-PAP bằng cách sử dụng một loại enzyme không xác định!

Khi được hỏi về tác động tích cực của những phát hiện này, tiến sỹ Furuya nói, “Những vi sinh vật mới này được xác định có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy các hợp chất lignin trong tự nhiên. Bằng cách làm rõ các đặc tính của các vi sinh vật này, chúng ta có thể sử dụng các vi sinh vật cho các hợp chất lignin để tạo ra các hợp chất thơm thay thế dầu mỏ. Hơn nữa, chúng có thể được sử dụng để chuyển hóa lignin, đặc biệt là để chuyển đổi các hợp chất trọng lượng phân tử thấp có cấu trúc hóa học tương tự như 2-PAP”.

Kỹ thuật xác định các vi sinh vật hữu ích phân giải lignin về lâu dài như thế nào? Theo tác giả, công nghệ tìm kiếm đã được thiết lập có thể được áp dụng rộng rãi để tìm kiếm các vi sinh vật có hoạt động phân cắt các hợp chất ether khác, chẳng hạn như các chất ô nhiễm môi trường.

Những khám phá này thực sự thú vị và có thể dẫn đến sự phát triển không chỉ trong các ngành công nghiệp sử dụng lignin, mà còn trong việc giảm thiểu tác động của các chất ô nhiễm môi trường!

Bùi Thị Huyền Nhung theo Đại học Khoa học Tokyo.