Một nhóm các nhà khoa học đã phát minh ra một loại vi khuẩn E. coli có khả năng tiêu thụ khí CO2 để sinh tồn

Hy vọng rằng nó sẽ trở thành một giải pháp cho vấn đề biến đổi khí hậu hiện nay.

Khi vi khuẩn phải chọn thức ăn, chúng sẽ ăn gì? Một nhóm các nhà khoa học Đức đã thành công trong việc phát triển một loại vi khuẩn Escherichia coli tiêu thụ khí CO2 thay vì đường hoặc các hợp chất hữu cơ.

Nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến quan trọng vì đã thay đổi nhiều cơ chế sinh học bên trong E. coli, một trong những loại vi khuẩn phổ biến nhất trên Trái Đất và thường được sử dụng trong nghiên cứu.

Các nhà khoa học cho biết, vi khuẩn E. coli tiêu thụ CO2 có thể được sử dụng để tạo ra các hợp chất carbon hữu cơ. Những hợp chất carbon hữu cơ này, khi được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học hoặc thực phẩm, sẽ giảm lượng khí thải ra môi trường so với các phương pháp sản xuất truyền thống.

Và vì chính việc vi khuẩn này cũng có khả năng loại bỏ khí CO2 từ khí quyển, hy vọng rằng nó sẽ trở thành một giải pháp cho vấn đề biến đổi khí hậu hiện nay.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Cell.

Những vi khuẩn đầu tiên trên thế giới ăn CO₂

Trước đó, chúng ta đã biết về vi khuẩn lam thủy sinh có khả năng quang hợp như thực vật, sử dụng năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời để chuyển đổi CO₂ thành các hợp chất carbon hỗ trợ sự sống, bao gồm DNA, protein và chất béo.

Tuy nhiên, vi khuẩn lam gặp khó khăn trong việc chỉnh sửa gen hoặc các cơ chế sinh học của chúng.

Vì vậy, E. coli có thể trở thành một ứng cử viên tiềm năng cho các nhà máy sinh học, giúp xử lý khí thải nhà kính.

Ngược lại, E. coli là một loài vi khuẩn dễ can thiệp và biến đổi. Loài này phát triển nhanh chóng, cho phép các nhà khoa học kiểm tra và điều chỉnh thao tác của họ trên nhiều thế hệ E. coli, tối ưu hóa các thay đổi di truyền một cách hiệu quả.

Tương tự như nhiều loài vi khuẩn khác, E. coli tiêu thụ đường và thải ra CO₂ như một sản phẩm phụ của quá trình sinh hóa.

Để thay đổi tình trạng này, Ron Milo, một nhà sinh học tại Viện Khoa học Weizmann ở Rehovot, Israel và nhóm nghiên cứu của ông đã dành mười năm để 'điều chỉnh' lại hệ thống sinh học bên trong vi khuẩn E. coli.

Năm 2016, họ đã thành công trong việc tạo ra 2 chủng vi khuẩn đầu tiên có khả năng tiêu thụ CO₂. Tuy nhiên, sản lượng CO₂ mà chúng tiêu thụ vẫn còn ít ỏi, chỉ đóng góp một phần nhỏ vào tổng lượng carbon trong sinh vật.

Bên cạnh đó, vi khuẩn không thể sống chỉ bằng CO₂ mà cần phải tiếp tục tiêu thụ pyruvate, một hợp chất hữu cơ chính trong chế độ dinh dưỡng của chúng.

Làm thế nào để tạo ra vi khuẩn ăn kiêng?

Với mục tiêu tạo ra vi khuẩn E. coli có thể tiêu thụ toàn bộ carbon từ CO2, Milo và nhóm nghiên cứu của ông đã kết hợp nhiều kỹ thuật di truyền và tiến hóa trong phòng thí nghiệm để can thiệp vào quá trình sinh học và gen của vi khuẩn.

Đầu tiên, họ đã ghép các gen mã hóa một cặp enzyme vào vi khuẩn, cho phép chúng quang hợp và chuyển đổi CO₂ thành carbon hữu cơ. Thực vật và vi khuẩn lam sử dụng ánh sáng để cung cấp năng lượng cho quá trình này, nhưng với E. coli, điều này không khả thi.

Chọn một hướng đi khác, nhóm của Milo đã nhập gen cho phép E. coli thu năng lượng từ một phân tử hữu cơ gọi là formate.

Dù đã làm mọi việc, trang bị cho vi khuẩn những gì cần thiết để lấy carbon từ CO₂, chúng vẫn ăn đường và từ chối khí nhà kính. Các nhà khoa học cho biết họ cần đưa chủng E. coli biến đổi gen của mình vào một chế độ ăn kiêng.

Cụ thể, họ đã dành cả năm để nuôi cấy nhiều thế hệ E. coli mới trong một môi trường có rất ít đường, nhưng nồng độ CO₂ lại được giữ ở mức rất cao, gấp 250 lần so với khí quyển Trái Đất.

Kết quả không ngoài dự đoán, những con E. coli đã tiến hóa với nhiều đột biến để thích nghi với chế độ ăn mới này.

Sau khoảng 200 ngày, những con E. coli đầu tiên có khả năng sử dụng toàn bộ CO₂ làm nguồn carbon duy nhất đã xuất hiện. Và sau 300 ngày, những con vi khuẩn này đã phát triển mạnh hơn trong môi trường CO₂ nồng độ cao so với môi trường khí quyển thông thường.

Các chủng E. coli ăn CO₂, hoặc tự dưỡng, vẫn có thể ăn đường - và sẽ ưu tiên sử dụng nguồn nhiên liệu đó hơn CO₂, Milo nói. Nhưng trong một môi trường có nồng độ CO₂ cao và hạn chế lượng đường, chúng buộc phải lựa chọn.

So với E. coli bình thường có thể phân chia sau mỗi 20 phút, E. coli tự dưỡng phát triển chậm hơn. Chúng phân chia sau mỗi 18 giờ trong bầu khí quyển có 10% CO₂. Nếu đưa trở lại một bầu khí quyển có nồng độ CO₂ tiêu chuẩn – hiện là 0,041% - những con E. coli ăn kiêng sẽ chết.

Hiện tại, Milo và nhóm nghiên cứu của ông đang cố gắng tìm cách thúc đẩy sự phát triển và sinh tồn của vi khuẩn trong một môi trường có nồng độ CO₂ thấp hơn. Họ cũng đang nghiên cứu về quá trình tiến hóa của E. coli để tiêu thụ CO₂.

Đánh giá về thành tựu này, Cheryl Kerfeld, một nhà sinh học từ Đại học bang Michigan và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, cho biết: Đây là một bước tiến quan trọng, cho thấy sức mạnh của việc kết hợp di truyền và tiến hóa để cải thiện các quá trình tự nhiên.

Trước đây, E. coli đã được sử dụng để sản xuất nhiều hợp chất hữu ích như insulin và hormone tăng trưởng cho con người. Milo nói rằng nghiên cứu của nhóm có thể mở ra cơ hội mở rộng các sản phẩm mà vi khuẩn có thể tạo ra, bao gồm nhiên liệu tái tạo, thực phẩm và các hợp chất khác.

Tuy nhiên, Milo nhấn mạnh rằng một tương lai khi E. coli tiêu thụ CO₂ để sản xuất xăng sinh học là còn xa. Đây chỉ là một nghiên cứu khái niệm, chúng ta sẽ phải chờ đợi thêm một vài năm nữa để thấy ứng dụng thực tế của việc này.

Tham khảo Nature