KHOA HỌCKhoa VÀ CƠNG NGHỆ NƯỚC NGỒI học Cơng nghệ Nước “SIÊU ENZYME” PHÂN HỦY NHỰA Đặng Thảo Yến Linh, Tưởng Thị Nguyệt Ánh, Trần Hùng Thuận Trung tâm Công nghệ Vật liệu, Viện Ứng dụng Công nghệ, Bộ KH&CN Phân hủy nhựa enzyme lên giải pháp thay hiệu bền vững cho việc xử lý, tái chế chất thải nhựa Nhiều loại enzyme phân hủy nhựa phát từ nguồn vi sinh vật Các kỹ thuật đại hỗ trợ đắc lực mơ hình học máy giúp tạo “siêu enzyme” có khả phân hủy nhanh, ổn định giúp giải thách thức quan trọng việc xử lý tái chế nhựa D ự đốn vào năm 2050, có khoảng 12.000 triệu chất thải nhựa tích tụ bãi chơn lấp môi trường tự nhiên [1] Xử lý rác thải nhựa không cách gây thách thức lớn môi trường Các mảnh vụn chất thải nhựa, đặc biệt vi nhựa, gây hại cho sinh vật đe dọa đến sống, sức khoẻ người [2-5] Do đó, việc phát triển công nghệ tiên tiến để xử lý tái chế nhựa sau tiêu dùng nhằm đạt giá trị kinh tế bảo vệ môi trường đặc biệt quan trọng Phát triển enzyme ứng dụng xử lý rác thải nhựa Năm 2016, nhà khoa học Nhật Bản phát enzyme PETase từ vi khuẩn Ideonelle sakaiensis phân hủy nhựa polyethylene terephthalate (PET) [6] Mặc dù, PETase có hiệu suất thấp nhiệt độ cao phát mở hướng nghiên cứu để ứng dụng enzyme xử lý rác thải nhựa Quá trình xúc tác sinh học enzyme xem giải pháp thay thân thiện với môi trường so với phương pháp tái chế xử lý rác thải nhựa thông thường [7] Đến nay, nhiều loại enzyme phân hủy nhựa từ vi sinh vật khác phát Tuy nhiên, enzyme phân huỷ nhựa có nguồn gốc tự nhiên khơng thích hợp cho việc phân huỷ nhựa tổng hợp ứng dụng công nghiệp tính ổn định nhiệt hoạt tính xúc tác thấp Đặc biệt, vật liệu nhựa tổng hợp thường có đặc tính vật lý hóa học khác biệt (ví dụ: độ kết tinh cao) khiến chúng có khả chống lại cơng enzyme so với polyme sinh học Do đó, việc nghiên cứu phát triển kỹ thuật đại, đặc biệt kết hợp lĩnh vực công nghệ khác ngày ứng dụng nhiều để tạo enzyme phân hủy nhựa với hiệu xúc tác tốt ổn định Kỹ thuật dựa công nghệ “omics” (công nghệ nghiên cứu gen, protein tế bào) đại với hỗ trợ mơ hình học máy (machine-learning algorithm - ML) phương pháp ứng dụng cho kết tốt hiệu việc chế tạo enzyme có khả phân hủy nhựa Sử dụng trí tuệ nhân tạo chế tạo “siêu enzyme” phân hủy nhựa Đầu tiên phải kể đến nghiên cứu nhà khoa học Đại học Texas, Austin, Hoa Kỳ đăng Tạp chí Nature [8] Trong đó, biến thể enzyme tạo phân hủy chất thải nhựa vịng vài đến vài ngày thay phải hàng kỷ chu trình thơng thường tự nhiên Nghiên cứu tập trung vào việc phân hủy polyethylen terephthalat (PET) Các nhà nghiên cứu sử dụng ML để tạo đột biến cho enzyme PETase Thuật toán lần huấn luyện 19.000 protein có kích thước tương tự Đối với loại số 290 axit amin PETase, chương trình kiểm tra xem có phù hợp với mơi trường cấu trúc tức thời hay không so với protein khác Hal S Alper tác giả liên hệ báo giải thích rằng, axit amin khơng phù hợp nguồn gây ổn định thuật toán đề xuất axit amin khác để thay Trong số hàng triệu kết hợp có, nhóm nghiên cứu đưa thay axit amin đề xuất enzyme tạo Số 10 năm 2022 51 Khoa học Cơng nghệ Nước ngồi FAST-PETase thủy phân hộp nhựa vòng 48 thành, gọi FAST-PETase (Functional, Active, Stable, and Tolerant PETase) [9] Kết nghiên cứu giới thiệu để nhà chuyên môn đánh giá, thảo luận bioRxiv nghiên cứu ứng dụng ML việc chế tạo enzyme phân hủy nhựa khơng có khả phân hủy sinh học nhà khoa học Đại học Bang Wright, Dayton, Ohio, Hoa Kỳ Trong nghiên cứu này, nhóm nhiên cứu thực đào tạo ML để dự đoán nhiệt độ hoạt động tối ưu enzyme PETase với hiệu suất cao, bao gồm mơ hình hồi quy Logistic (Logistic Regression), mơ hình hồi quy tuyến tính (Linear Regression) mơ hình rừng (Random Forest) [10] Bộ liệu cho mô hình học máy bao gồm enzyme từ 11.420 sinh vật thu từ sở liệu BRENDA Các enzyme khơng có giá trị nhiệt độ hoạt động tối ưu bị loại bỏ khỏi tập liệu Trước thực sàng lọc, có 2.745 trình tự axit amin enzyme tập liệu Nhóm nghiên cứu tiến hành loại bỏ sao, trình tự axit amin có chiều dài nhỏ enzyme có nhiệt độ hoạt động tối ưu 52 Các dự đốn có hướng dẫn mơ hình học máy để tạo enzyme đột biến có khả phân giải nhựa (A) Cấu trúc protein PETase thư viện; (B) Tạo thư viện dự đoán để chọn lọc đột biến; (C) Các đột biến tập hợp lại; (D) Các đột biến dự đốn Số 10 năm 2022 Khoa học Cơng nghệ Nước ngồi thấp 0°C Kết liệu đào tạo cịn lại 2.643 trình tự axit amin enzyme với nhiệt độ hoạt động tối ưu chúng Đầu vào cho mô hình đặc tính enzyme trọng lượng phân tử, tần số axit amin, tần số dipeptit nhiệt độ phát triển tối ưu vi sinh vật sinh enzyme Sau đó, mơ hình Random Forest sử dụng để phát triển hướng dẫn ML Thuật toán tạo hàng trăm biến thể enzyme PETase, mơ hình Random Forest đưa biến thể enzyme có nhiệt độ hoạt động tối ưu cao nhất, số enzyme có nhiệt độ hoạt động cao lựa chọn làm đột biến Sau 1.000 lần lặp lại, nhóm nghiên cứu thu loại enzyme PETase đột biến với nhiệt độ hoạt động tối ưu 71,38°C Ngoài ra, với 29 lần lặp lại, enzyme khác tạo thành với nhiệt độ hoạt động tối ưu 61,3°C Để đảm bảo enzyme đột biến hoạt động ổn định, nhóm nghiên cứu dự đốn nhiệt độ nóng chảy chúng việc sử dụng thêm cơng cụ dự đốn khác nhận thấy enzyme thu sau 29 lần lặp có khả hoạt động ổn định nhiệt độ tốt so với enzyme PETase thông thường Nghiên cứu có ý nghĩa cơng nghệ tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng enzyme PETase phương pháp có hỗ trợ mơ hình học máy Kết từ nghiên cứu giúp giải vấn đề môi trường cấp bách giới, rác thải nhựa gây ô nhiễm đất nguồn nước cách nghiêm trọng Những loại enzyme có khả tái chế nhựa quy mô lớn, cho phép ngành công nghiệp giảm tác động đến môi trường cách thu hồi tái sử dụng nhựa cấp độ phân tử Thêm vào đó, việc sử dụng xúc tác sinh học enzyme cung cấp giải pháp thay hóa học xanh cho việc quản lý tái chế chất thải nhựa cách bền vững Quá trình phân hủy xúc tác sinh học qua trung gian enzyme tích hợp vào quy trình tái chế nhựa để hỗ trợ thay việc tái chế hóa chất Sau tiền xử lý học, vật liệu nhựa chuyển vào vòng “bio-reactor” chứa enzyme phân huỷ nhựa để tiến hành phân huỷ xúc tác sinh học Các phân tử hóa học tạo sử dụng làm monome đầu vào để tổng hợp sản phẩm nhựa theo phương pháp tái chế vòng kín làm ngun liệu để chuyển hóa thành hóa chất có giá trị cao phương pháp chiết xuất vòng hở [11] Sự phát triển việc ứng dụng ML cung cấp loạt công cụ để khám phá, xác định đặc tính sửa đổi enzyme phân hủy nhựa, mở khả thu chất xúc tác sinh học với đặc tính lý tưởng hiệu chi phí tái chế nhựa Thêm vào đó, việc ứng dụng AI nghiên cứu lần khẳng vai trị hiệu nhiều ngành, nhiều lĩnh vực Đặc biệt, hứa hẹn nhiều tiềm việc ứng dụng để phát triển kinh tế tuần hoàn kinh tế xanh mà quốc gia hướng tới ? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Geyer, et al (2017), “Production, use, and fate of all plastics ever made”, Sci Adv., 3, p.e1700782 [2] P.E Redondo-Hasselerharm, et al (2020), “Nano- and microplastics affect the composition of freshwater benthic communities in the long term”, Sci Adv., 6, DOI: 10.1126/sciadv aay4054 [3] A.A Koelmans, et al (2019), “Microplastics in freshwaters and drinking water: Critical review and assessment of data quality”, Water Res., 155, pp.410-422 [4] M.E Seeley, et al (2020), “Microplastics affect sedimentary microbial communities and nitrogen cycling”, Nat Commun., 11, p.2372 [5] B Boots, et al (2019), “Effects of microplastics in soil ecosystems: Above and below ground”, Environ Sci Technol., 53, pp.11496-11506 [6]bhttps://vnreview.vn/thread-old/ viet-nam-la-mot-trong-20-nuoc-thairac-nhieu-nhat.2675792 [7]bhttps://moitruong.net.vn/racthai-nhua-o-viet-nam-bai-3-noi-amanh-cua-dai-duong-12156.html [8] Y Shosuke, et al (2016), “A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)”, Sci Adv., 351(6278), pp.1196-1199 [9] H Lu, et al (2022), “Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization”, Nature, 604, DOI: 10.1038/s41586022-04599-z [10]bG Arjun, et al (2022), Machine learning-based enzyme engineering of PETase for improved efficiency in degrading nonbiodegradable plastic, https://doi org/10.1101/2022.01.11.475766 [11] R Wei, et al (2020), “Possibilities and limitations of biotechnological plastic degradation and recycling”, Nat Catal., 3, pp.867-871 Số 10 năm 2022 53 ... tái chế nhựa để hỗ trợ thay việc tái chế hóa chất Sau tiền xử lý học, vật liệu nhựa chuyển vào vòng “bio-reactor” chứa enzyme phân huỷ nhựa để tiến hành phân huỷ xúc tác sinh học Các phân tử... chuyên môn đánh giá, thảo luận bioRxiv nghiên cứu ứng dụng ML việc chế tạo enzyme phân hủy nhựa khơng có khả phân hủy sinh học nhà khoa học Đại học Bang Wright, Dayton, Ohio, Hoa Kỳ Trong nghiên... dụng nhựa cấp độ phân tử Thêm vào đó, việc sử dụng xúc tác sinh học enzyme cung cấp giải pháp thay hóa học xanh cho việc quản lý tái chế chất thải nhựa cách bền vững Quá trình phân hủy xúc tác sinh