Đạo luật Độc lập Năng lượng và An ninh Năng lượng năm 2007 của Mỹ đã đặt ra mục tiêu là sản xuất 36 tỷ gallon nhiên liệu sinh học mỗi năm tại Hoa Kỳ vào năm 2022, trong đó 21 tỷ gallon đến từ sản xuất tiên tiến. Một rào cản để đạt được mục tiêu đó là chi phí xử lý enzyme cao trong khi đây là một bước cực kỳ quan trọng trong việc chuyển sinh khối như cây bạch dương, cỏ, thân cây ngô … thành nhiên liệu lỏng.

Enzyme được tiết ra bởi các vi sinh vật làm rã thành tế bào của thực vật một cách tự nhiên, phân hủy chúng để con người có thể thu hoạch đường. Nhưng thực vật cũng có cách riêng của chúng, với những cơ chế khiến cho enzyme gặp khó khăn hơn khi phân hủy thành tế bào. Chính sự phòng thủ này làm tăng chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học, và đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu nỗ lực tìm ra các cách kết hợp enzyme sao cho chúng có thể thực hiện công việc phân hủy nhanh hơn.

Các nhà nghiên cứu tại NREL phát hiện thấy rằng, các mô hình enzyme điển hình – enzyme tự do và enzyme phức tạp - sử dụng các cơ chế khác nhau đáng kể để làm rã sinh khối ở cấp độ nanomet. Hơn nữa, họ cũng phát hiện ra rằng kết hợp hai hệ thống này lại với nhau làm tăng cường khả năng xúc tác. Những phát hiện này cho thấy rằng ắt có một phương pháp tối ưu giữa hai cơ chế này.

Khi kết hợp hai hệ thống enzyme này lại với nhau thì chất nền thay đổi theo những cách bất ngờ, do đó kết quả này cho thấy hai hệ thống này cùng phối hợp với nhau để phân hủy thành tế bào hiệu quả hơn. Các nhà khoa học có thể sử dụng kiến ​​thức này để thiết kế ra các công thức enzyme tối ưu.

Để có thể qua mặt các cơ chế tồn tại của thực vật, nhiều vi sinh vật tiết ra các hỗn hợp hiệp lực gồm nhiều enzyme, với một hoặc một số vùng xúc tác cho từng enzyme. Ngược lại, một số vi khuẩn lại tổng hợp các phức hợp đa enzyme lớn, gọi là cellulosomes, có chứa nhiều đơn vị xúc tác cho từng phức hợp.

Tuy cả hai hệ thống đều sử dụng chất hóa học xúc tác tương tự nhau, nhưng cách chúng phân hủy polysaccharides thì vẫn chưa rõ ràng.

Các nhà nghiên cứu tại NREL phát hiện thấy rằng, enzyme tự do hoạt động nhiều hơn trên sinh khối được xử lý trước, trong khi cellulosomes hoạt động nhiều hơn trên cellulose tinh khiết. Khi sử dụng kính hiển vi electron họ phát hiện thấy rằng, enzyme tự do tấn công thành tế bào thực vật bằng cách làm sứt mẻ và làm xói mòn chúng, với sự trợ giúp từ sự mài sắc những sợi cellulose có hình dạng giống như một chiếc kim.

Ngược lại, cellulosome phân tách từng vi sợi cellulose từ các hạt lớn hơn để tăng tiếp xúc với bề mặt cellulose. Chúng lắp ráp giàn protein để giúp hoàn thành công việc này.

Các nhà nghiên cứu tại NREL quan sát  thấy rằng, khi kết hợp hai hệ thống enzyme này lại cùng nhau, thì công việc này cải thiện đáng kể, có thể do các enzym kết hợp - một cách tự nhiên và độc lập – thực hiện cùng một công việc nhưng theo nhiều cách khác nhau.

NREL là phòng thí nghiệm quốc gia chính của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nghiên cứu và phát triển năng lượng tái tạo và hiệu suất năng lượng

Thanh Vân - Dostdongnai theo Eurekalert.