Các nhà khoa học phát hiện enzyme hấp thụ ánh sáng, biến chất béo thành xăng

Khoa học đã chứng minh rằng: Khi một người giảm cân, họ đã thở chất béo của mình vào không khí. Chất béo được hình thành lên từ các axit béo chứa 3 loại nguyên tử là carbon, hydro và oxy. Các quá trình sinh hóa trong cơ thể cuối cùng biến chúng thành nước (H₂O) và khí carbonic (CO₂), là thứ bạn bài tiết và thở ra ngoài.

Nhưng liệu có cách nào khiến chất béo hữu dụng hơn không? Các nhà khoa học nhận thấy xăng dầu cũng được cấu tạo thành từ carbon và hydro. Và nếu tìm ra một cách hiệu quả để loại bỏ oxy ra khỏi chất béo, thứ mà họ nhận được chính là nhiên liệu cho động cơ đốt trong.

Hãy tưởng tượng một ngày nào đó bạn có thể nối vòi xăng vào đám mỡ bụng, vừa có thể giảm cân lại vừa có nhiên liệu để đổ cho xe của mình.

Các nhà khoa học tìm ra cách biến chất béo thành nhiên liệu hydrocarbon

Điểm chung giữa chất béo và xăng dầu

Trên thực tế, xăng dầu là một hỗn hợp của các phân tử hydrocarbon. Đúng như tên gọi của chúng, các phân tử này chỉ được tạo thành từ hai loại nguyên tử là hydro và carbon.

Với kiến thức hóa học phổ thông, chúng ta biết các hydrocarbon đơn giản có công thức chỉ gồm một chuỗi nguyên tử C(carbon) thẳng, không phân nhánh. Nghĩa là một nguyên tử C chỉ liên kết tối đa với hai nguyên tử C khác.

Trong khi đó, xăng dầu được chế biến sau quá trình lọc dầu thô tại nhà máy lại chủ yếu chứa hydrocarbon phân nhánh. Nghĩa là mạch carbon chia thành nhiều nhánh và một nguyên tử C có thể liên kết với 3 hoặc 4 nguyên tử C.

Bây giờ, nhìn vào công thức hóa học, chúng ta dễ dàng nhận thấy chất béo cũng giống như hydrocarbon. Chúng gồm có một mạch dài của hơn 20 nguyên tử C và các nguyên tử hydro. Chỉ có một điều khác biệt, nguyên tử C ở cuối mạch có thể liên kết với 2 nguyên tử oxy. Nó tạo thành nhóm carboxyl.

Mặc dù có vẻ bé nhỏ, nhưng sự hiện diện của chỉ 1 nhóm carboxyl này đã làm thay đổi toàn bộ tính chất của phân tử hydrocarbon. Khác với xăng dầu, chất béo dễ đóng rắn hay đông đặc lại ngay ở nhiệt độ bình thường. Chất béo cũng có thể được hòa tan vào nước tạo ra môi trường axit yếu.

Chính bởi sự có mặt của 2 nguyên tử oxy mà chúng ta không thể đổ dầu mỡ vào bình xăng để làm nhiên liệu cho động cơ xe máy hoặc ô tô. Trừ khi chúng ta tìm ra cách để đuổi hai nguyên tử oxy này khỏi chuỗi hóa học, hoặc chặt đứt nguyên tử C cuối mạch chất béo để chúng trở lại thành hydrocarbon.

Cấu trúc hóa học của một axit béo điển hình. Nếu loại bỏ nhóm carboxyl ở cuối, chúng ta sẽ thu được nhiên liệu

Thật không may, ngay cả các nhà khoa học cũng không dễ gì làm được điều này. Nhìn từ góc độ hóa học, liên kết của nguyên tử C gắn với oxy mạnh hơn các nguyên tử khác trong mạch. Cho nên, các phản ứng hóa học thông thường chỉ phá vỡ được một hoặc vài liên kết của các nguyên tử C giữa mạch.

Các phương pháp thay thế hoặc loại bỏ oxy khỏi phân tử chất béo đều có xu hướng đòi hỏi nhiều bước. Mà mỗi bước trong đó đều không hiệu quả khi đòi hỏi năng lượng đầu vào lớn nhưng hiệu suất thì nhỏ hơn 1%.

Tuy nhiên mới đây, một nhóm các nhà khoa học Pháp đã tìm ra được cách hiệu quả để biến chất béo trở lại thành hydrocarbon có thể sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu. Họ sử dụng một loài tảo và năng lượng đầu vào là ánh sáng mặt trời.

Đứng dưới góc độ sinh học, phản ứng này cũng rất thú vị. Bởi đây là một trong số những phản ứng ít ỏi, đòi hỏi sự tham gia của ánh sáng như một năng lượng đầu vào.

Chúng ta biết rằng hầu hết sinh vật sống trên Trái Đất đều phụ thuộc trực tiếp hoặc gián tiếp và ánh Mặt Trời. Nhưng tựu chung lại chí có duy nhất 3 phản ứng sinh học đòi hỏi ánh sáng như một nguồn tham gia phản ứng. Hai trong số 3 phản ứng này nằm trong quá trình quang hợp. Một phản ứng có chức năng sửa chữa hư hỏng DNA. Phản ứng mới được các nhà khoa học Pháp phát hiện là phản ứng thứ tư.

Biến chất béo thành nhiên liệu hydrocarbon

Để tìm ra được phản ứng độc đáo này, các nhà khoa học đã thu thập tảo, nghiền nát và lọc ra các protein mà họ nghi ngờ có khả năng chuyển chất béo thành hydrocarbon. Từ một số lượng ban đầu với hàng trăm protein, họ đã sàng lọc ra 10 loại, sau đó tìm ra một loại enzyme duy nhất chưa từng được biết đến.

Gen của nó được giải mã và tinh chỉnh để cấy vào vi khuẩn. Các nhà khoa học tiếp tục quan sát thấy hiện tượng chuyển đổi chất béo thành hydrocabon. Phản ứng này xảy ra khi ánh sáng chiếu vào có màu xanh nước biển. Nhưng khi được chiếu ánh sáng đỏ, các enzyme dừng lại không phản ứng.

Để chắc chắn enzyme này đã cắt hoặc được nhóm carboxyl, họ chọn ra một chất béo có mạch C giống hệt một hydrocarbon. Chất béo được cho phản ứng với enzyme, các nhà khoa học quan sát sản phẩm thu được và xác nhận đó chính là loại hydrocarbon đồng vị và thêm vào đó là khí CO­₂.

Sơ đồ thể hiện một enzyme có thể chuyển chất béo thành hydrocarbon

Tại sao một enzyme có thể chuyển chất béo thành hydrocarbon? Và tại sao quá trình lại cần ánh sáng xanh.

Hóa ra, ánh sáng xanh nước biển có bước sóng và mang năng lượng phù hợp cho "flavin adenine dinucleotide" (FAD), một thành phần có trong enzyme này hấp thụ. Đó thực chất là một hóa chất đóng vai trò đồng phản ứng trong các quá trình hóa sinh.

Khi nghiên cứu sâu hơn vào FAD, các nhà khoa học lại nhận thấy chúng thường luẩn quẩn quanh khu vực liên kết của Oxy với carbon của phân tử chất béo. Các nhà khoa học dự đoán, ánh sáng xanh đã kích thích FAD “ăn cắp” một electron từ phân tử chất béo, khiến nó mất ổn định.

Chất béo đành phải lấy lại sự cân bằng của nó bằng cách nhả ra một nguyên tử carbon và hai nguyên tử oxy ở gần FAD. Phản ứng này tạo ra sản phẩm là khí CO­₂ và để lại một mạch hydrocarbon.

Mạch hydrocarbon này sau đó sẽ chiếm lại electron của FAD. Bởi đã trở lại trạng thái bình thường, phân tử FAD lúc này tiếp tục đi chiếm electron của các phân tử chất béo khác. Quá trình được lặp đi lặp lại một cách tương tự.

Ưu điểm của phản ứng này đó là nó có thể sử dụng ánh sáng mặt trời. Bởi vậy, nếu xây đựng được một hệ thống chuyển đổi chất béo thành hydrocarbon như thế, chúng ta sẽ không cần bơm thêm vào một nguồn năng lượng hóa học nào để duy trì phản ứng.

Bản thân loại enzyme mới được phát hiện cũng rất thú vị. Hiện nay, các nhà khoa học mới chỉ phải hiện rất ít các loại enzyme nhạy cảm với ánh sáng. Nó sẽ là một đề tài thu hút rất nhiều nghiên cứu mới.

Cuối cùng, chúng ta biết rằng hệ thống chuyển đổi chất béo thành hydrocarbon này hoạt động dựa trên hiệu ứng ánh sáng kích thích electron. Và bởi hoạt động của electron là trung tâm của một loạt các phản ứng hóa học, các nhà khoa học Pháp nói rằng việc chỉnh sửa enzyme có thể giúp nó phục vụ được nhiều phản ứng hơn nữa. Sẽ còn nhiều lĩnh vực khác có thể phát triển nhờ các enzyme hấp thụ ánh sáng này.

Tham khảo Arstechnica