Tái chế nhựa PET

Mary O’Reilly and JoAnne Stubbe: “PET polymer recycling”, Biochemistry 2020, 59, 2316−2318

Link bài gốc:
https://drive.google.com/file/d/1NX5AahIXpfuzw8XECZ86N45qtlhUZKsN/view?usp=sharing

Biên dịch: Phạm Ngọc Sơn

Gần đây, chúng tôi được phỏng vấn về vấn đề “Thiết kế enzyme depolymerase PET để phân giải và tái chế chai nhựa” ¹. Theo đó, chúng tôi đã tập trung nghiên cứu để làm sáng tỏ các phản ứng phân hủy nhựa bằng enzyme cũng như các phản ứng sinh tổng hợp/phân giải nhựa polyhydroxyalkanoate.

Giữa những năm 1960, chỉ với hai thí nghiệm, “nhựa” đã khiến tôi phải lưu tâm rất nhiều. Thí nghiệm đầu tiên do DuPont thực hiện tại Hội chợ Thế giới ở New York năm 1964 (xem video trên kênh YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=wQCKqDJksuE). Thí nghiệm thứ hai được lấy từ bộ phim “The Graduate” năm 1967 của Dustin Hoffman: “Thế giới. Bạn có đang nghe không? Nhựa!”. Giống như trong video quảng cáo, nhựa đã giải quyết được rất nhiều vấn đề của xã hội: giá thành rẻ, nhẹ, dễ uốn, và có độ bền cao, thích hợp để sử dụng trong may mặc và điện tự động. Từ đó, các nhà hóa học liên tục chế tạo ra các loại nhựa mới có giá thành rẻ hơn, mở rộng khả năng ứng dụng của nhựa trong thực tế, nâng cao vị thế của nhựa trong cuộc sống. Tuy nhiên, cũng chính do độ bền cao mà những loại nhựa này trở thành mối nguy hại với môi trường.

Năm 2009², 4% nguyên liệu dầu khí đã được dùng để sản xuất các loại nhựa như polyethylene terephthalic acid (PET) (Hình 1). PET là thành phần chính cấu tạo nên bao bì nhựa, nhu cầu của ngành hàng này ngày càng tăng, không chỉ ở lĩnh vực thực phẩm ngày nay, mà còn cho ngành sản xuất chai nước dùng một lần. Nhựa PET có các liên kết ester thơm, và không bị phân hủy bởi vi sinh vật, dó đó, nó đặt ra vấn đề về chi phí tái chế sau sử dụng. Hơn nữa, hệ quả tất yếu của việc sử dụng nhiều nhựa là ô nhiễm môi trường toàn cầu và thay đổi lối sống con người, có thể dễ dàng bắt gặp các rác thải nhựa ở bất kỳ đâu trên thế giới.

Để giải quyết vấn đề rác thải nhựa, năm 2016³, Yoshida và cs đã báo cáo công nghiên cứu sàng lọc các mẫu đất khu vực quanh bãi rác thải nhựa PET. Nhóm đã khám phá ra một loại vi khuẩn gram âm là Ideonella sakatensis 201-F6 có khả năng sử dụng nhưa PET như một nguồn carbon, phục vụ cho quá trình sinh trưởng của chúng. Phân tích genome loài này cho thấy, chúng biểu hiện các enzyme thuộc siêu họ α/β- hydrolase, ví dụ như lipase và cutinase, đây là các enzyme có khả năng phân giải ester. Ban đầu, một số loại enzyme thuộc họ này có khả năng thủy phân PET thấp nhưng lại có thể được thiết kế và biến đổi để nâng cao khả năng hoạt động. Nhờ đó, 2 loại enzyme esterase mới được thiết kế là PETase và MHETase (Hình 1) đã được công bố³.

Thách thức lớn nhất để phân giải nhựa PET là các loại polymer ester thơm này có nhiệt độ kết tinh cao (Hình 1, dưới), với nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh ở 70^oC. Chuỗi polymer có độ linh hoạt cao, cho phép các enzyme có thể dễ dàng bám vào và thực hiện phản ứng thủy phân. Các sản phẩm thủy phân của PET cũng rất khó để giám sát (Hình 1, MHET, TPA và EG). Do đó, có thể sử dụng các enzyme PETase như một tiền đề để thiết kế các enzyme có khả năng xúc tác tốt hơn, trở ngại chính của hướng nghiên cứu này là các enzyme thường có hoạt độ thấp, và sau đó phải nâng cao độ nhạy của chúng cũng như xây dựng các thí nghiệm giám sát quá trình phân giải polymer. Sau khi xác định được cấu trúc X-quang của các enzyme PETase và các protein liên quan khác, bao gồm các thành viên thuộc họ cutinase, không ngạc nhiên khi tâm hoạt động của các enzyme này là bộ 3 amino acid là Ser, His và Asp (Hình 1, ở giữa, Ngân hàng dữ liệu protein 5XH3), đây là các amino acid được dùng để tìm kiếm các thành viên thuộc siêu họ α/β- hydrolase³. Từ cấu trúc tiểu phần, có thể thấy một rãnh bề mặt lớn tiếp cận với bộ ba xúc tác (Hình 1, rãnh tại vị trí hoạt động được mô tả ở khung hình chữ nhật), nhờ đó, gốc aromatic có thể liên kết dễ dàng. Các nỗ lực để thu được PET dạng oligomer đều thất bại. Sự thiếu hiểu biết về tính đặc hiệu cũng như khả năng bám là một trong các thách thức đối với xử lý vật liệu polymer, chúng thường có cấu trúc bề mặt dạng phẳng và kỵ nước, nhiều vị trí bám và gây ra các rối loạn cầu trúc vòng trên bề mặt protein. Bên cạnh đó, khả năng bám của enzyme tới các vật liệu tinh thể cũng là một vấn đề phức tạp, cần có những kiến thức về nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của polymer khi chúng dễ tiếp cận hơn, và cần thiết kế các enzyme làm tăng độ ổn định nhiệt.

Hình 1: Enzyme PETase phân giải PET thành TPA, một loại vật liệu có thể tái sử dụng thành PET với chất lượng cao, chi phí thấp. Enzyme PETase, serine hydrolase được thiết kế để làm tăng hoạt độ cũng như độ ổn định nhiệt, khiến các tinh thể polymer có thể dễ dàng gắn vào và bị phân giải. Monohydroxyethyl terephthalic acid, và ethylene glycol lần lượt được ký hiệu là MHET và EG. Các hình màu cam là các enzyme PET esterase. Cấu trúc protein của LLC serine hydrolase với bộ ba hoạt động cũng như liên kết MHET (Ngân hàng dữ liệu Protein 5XH3¹), và vị trí rãnh hoạt động của enzyme, giúp bám vào protein được phóng to ở khung hình chữ nhật.

Nghiên cứu của Tournier và cs¹ đã tổng hợp các thách thức cũng như các thành công trong lĩnh vực xử lý PET. Họ đã thành công trong việc xây dựng mô hình tái chế có hiệu suất cao, và có thể chuyển hàng tấn PET thành TPA (hình 1, trên), các sản phẩm này có thể được tinh sạch và tái sử dụng lại thành nhựa PET, đây là mô hình có giá thành rẻ, sản phẩm thu được có chất lượng và khả năng thu hồi cao. Họ đã phát triển các kỹ thuật định lượng có độ nhạy cao, cũng như mô tối ưu hóa quá trình xúc tác của protein. Nhóm đã sử dụng PETase (LLC esterase) để tạo ra và nghiên cứu hơn 200 loại esterase mới và đánh giá tỷ lệ phản ứng, khả năng thu hồi của sản phẩm, bao gồm cả lượng tinh thể polymer còn tồn dư (hình 1, dưới). Tournier và cs đã sử dụng các thuật toán cấu trúc, docking phân tử và hình thái bề mặt để tạo ra mô hình 2-HE-(MHET)₂. Đồng thời, nhóm cũng phân tích động học phận tử để tối ưu hóa khả năng xúc tác dựa trên bộ ba xúc tác ở tâm hoạt động (Hình 1). Để loại bỏ các tinh thể PET, enzyme PETase được thiết kế tăng độ ổn định nhiệt bằng cách thêm một nhóm disulfide ở vùng liên kết kim loại của một số thành viên siêu họ cutinase. Phân tử disulfide này sẽ giải quyết các vấn đề liên quan đến kim loại. Bên cạnh đó, enzyme này cũng được thiết kế bền hơn ở nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của PET để có thể phân giải hoàn toàn vật liệu polymer. Nhóm đã tối ưu phản ứng xúc tác bằng cách mô phỏng điều kiện phản ứng để phân giải hàng tấn vật liệu nhựa. Nghiên cứu đã đạt được các kết quả sau: chuyển hóa PET thành TPA, đây là loại vật liệu có hiệu suất phục hồi lại thành PET cao đồng thời vẫn giữ được các đặc tính ban đầu của PET. Nghiên cứu đã tiếp cận vấn đề dưới nhiều góc độ: hiểu được cơ chế xúc tác, thiết kế protein, các phân pháp hóa phân tích và thiết kế nhằm giảm chi phí sản xuất.

Tầm quan trọng của nhựa trong đời sống cũng như thời gian tồn tại của nhựa đã được rất nhiều nghiên cứu gần đây đề cập^1-4, những thông tin này có ý nghĩa sống còn đối với sự sống trên Trái Đất. Có rất nhiều cách để giải quyết các vấn đề về rác thải nhựa, mà cụ thể là chai nước, trong tương lai sẽ có nhiều phương pháp khác nữa xuất hiện, chúng tôi đã bàn về những thách thức cũng như tầm quan trọng của việc hiểu cách thức phân giải nhựa và tái chế chúng trong tự nhiên, theo con đường sinh học và hóa sinh, từ đó phát triển các phương pháp mới, có độ đặc hiệu cao. Các enzyme tiếp tục giữ vai trò trung tâm trong giải quyết các vấn đề công nghệ.

Thông tin tác giả

Tác giả liên lạc

JoAnne Stubbe- Khoa Hóa, Viện Công nghệ Massachusetts, Cambridge, Massachusetts 02139, Mỹ. orcid.org/0000-0001-8076-4489;

Email: stubbe@mit.edu

Tác giả

Mary O’ Reilly – Viện Broad Institute of MIT and Harvard, Cambridge, Massachusetts 02142, Mỹ

Thông tin chi tiết xem tại:

https://pubs.acs.org/10.1021/acs.biochem.0c00457

Ghi chú

Các tác giả tuyên bố không có bất kỳ tranh chấp tài chính nào.

Từ viết tắt

PET: polyterephthalic acid; TPA: terephthalic acid; MHET: monohydroxyethyl- terephthalic acid; EG: ethyleneglycol; PETase: Enzyme esterase có thể thủy phân PET.

Tài liệu tham khảo

(1) Tournier, V., Topham, C. M., Gilles, A., David, B., Folgoas, C., Moya-Leclair, E., Kamionka, E., Desrousseaux, M.-L., Texier, H., Gavalda, S., Cot, M., Guemard, E., Dalibey, M., Nomme, J., Cioci, G., Barbe, S., Chateau, M., Andre, I., Duquesne, S., and Marty, A. (2020) An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature 580, 216 −219.

(2) Hopewell, J., Dvorak, R., and Kosior, E. (2009) Plastics recycling: challenges and opportunities. Philos. Trans. R. Soc., B 364, 2115 −2126.

(3) Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., Toyohara, K., Miyamoto, Y., Kimura, and Oda, K. (2016) A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terphtalate). Science 351, 1196 −1199.

(4) Joo, S., Cho, I. J., Seo, H., Son, H. F., Sagong, H.-Y., Shin, T. J., Choi, S. Y., Lee, S. Y., and Kim, K.-J. (2018) Structural insight into molecular mechanism of poly(ethylene terephthalate) degradation. Nat. Commun. 9, 382.

(5) Austin, H. P., Allen, M. D., Donohoe, B. S., Rorrer, N. A., Kearns, F. L., Silveira, R. L., Pollard, B. C., Dominick, G., Duman, R., El Omari, K., Mykhaylyk, V., Wagner, A., Michener, W. E., Amore, A., Skaf, M. S., Crowley, M. F., Thorne, A. W., Johnson, C. W., Woodcock, H. L., McGeehan, J. E., and Beckham, G. T. (2018) Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 115, E350 −4357.