Các nhà khoa học tạo ra một chủng vi khuẩn E. coli có thể ăn khí CO2 để sống

Khi những con vi khuẩn ăn kiêng, chúng sẽ ăn gì? Một nhóm các nhà khoa học người Đức đã phát triển thành công một chủng vi khuẩn Escherichia coli ăn khí CO₂ thay vì đường hoặc các phân tử hữu cơ.

Nghiên cứu này là một cột mốc quan trọng, bởi nó đã làm thay đổi vô số cơ chế sinh học bên trong E.coli, một trong những loài vi khuẩn phổ biến nhất trên Trái Đất và thường được con người sử dụng trong hoạt động thí nghiệm.

Các nhà khoa học cho biết, những con E. coli ăn CO₂ của mình có thể được sử dụng để tạo ra các phân tử carbon hữu cơ. Những phân tử carbon hữu cơ này - khi được sử dụng làm nhiên liệu sinh học hoặc sản xuất thực phẩm - sẽ thải ra môi trường một lượng khí thải thấp hơn so với các phương pháp sản xuất truyền thống.

Và bởi vì bản thân những con vi khuẩn cũng có khả năng loại bỏ khí CO₂ khỏi khí quyển, nó được hi vọng sẽ trở thành một giải pháp cho vấn đề biến đổi khí hậu hiện nay.

Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Cell.

Các nhà khoa học chế tạo thành công một chủng vi khuẩn E. coli có thể ăn khí CO2 để sống

Những con vi khuẩn ăn CO₂ đầu tiên trên thế giới

Trước đây, chúng ta đã biết về những con vi khuẩn lam thủy sinh có khả năng quang hợp như thực vật, chúng dùng năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời để biến đổi CO₂ thu được thành các khối carbon hỗ trợ sự sống, bao gồm DNA, protein và chất béo.

Nhưng nhược điểm của những con vi khuẩn lam là chúng rất khó có thể được chỉnh sửa. Các nhà khoa học gặp rất nhiều khó khăn trong việc thao tác vào bộ gen hay các cơ chế sinh học của chúng. 

Vi khuẩn lam vì vậy không thể trở thành một ứng cử viên tiềm năng cho những nhà máy sinh học, giúp chúng ta xử lý khí thải nhà kính.

Ngược lại, E. coli là một loài vi khuẩn tương đối dễ can thiệp và biến đổi. Loài này cũng có tốc độ phát triển rất nhanh, có nghĩa là các nhà khoa học có thể nhanh chóng kiểm tra và điều chỉnh được những thao tác của họ trên nhiều thế hệ E. coli, tối ưu hóa các thay đổi di truyền mà họ tạo ra qua đó tiết kiệm được thời gian nghiên cứu.

Chỉ có điều, giống với nhiều loài vi khuẩn khác, E. coli ăn đường và thải ra CO₂ như một sản phẩm thừa từ phản ứng sinh hóa của chúng.

Để đảo ngược được hiệu ứng này, Ron Milo, một nhà sinh học tại Viện Khoa học Weizmann ở Rehovot, Israel và nhóm của ông đã dành cả thập kỷ nghiên cứu để "đại tu" lại bộ máy sinh học bên trong E. coli.

Vào năm 2016, họ đã tạo ra 2 chủng vi khuẩn tiêu thụ CO₂ đầu tiên. Nhưng sản lượng tiêu thụ của hai chủng E. coli này còn rất khiêm tốn. CO₂ được chúng ăn chỉ góp một phần nhỏ vào tổng lượng carbon trong sinh vật. 

Ngoài ra, những con vi khuẩn không thể sống dựa hoàn toàn vào CO₂, mà vẫn phải ăn thêm pyruvate, một hợp chất hữu cơ là thành phần chính trong chế độ ăn của chúng.

Rất nhiều kỹ thuật di truyền và tiến hóa đã được sử dụng để can thiệp vào quá trình sinh hóa cũng như bộ gen của vi khuẩn.

Làm thế nào để tạo ra những con vi khuẩn ăn kiêng?

Đặt mục tiêu tạo ra những con vi khuẩn E. coli lấy hoàn toàn carbon từ CO2, Milo và nhóm của ông đã kết hợp rất nhiều kỹ thuật di truyền và tiến hóa trong phòng thí nghiệm để can thiệp vào quá trình sinh hóa cũng như bộ gen của vi khuẩn.

Đầu tiên, họ đã cấy vào vi khuẩn các gen mã hóa một cặp enzyme cho phép các sinh vật quang hợp và chuyển đổi CO₂ thành carbon hữu cơ. Thực vật và vi khuẩn lam dùng ánh sáng để cung cấp năng lượng cho sự chuyển đổi này, nhưng điều tương tự không khả thi với E. coli. 

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

Nhưng ngay cả khi đã làm tất cả những việc này, trang bị cho những con vi khuẩn tất cả những gì cần thiết để lấy carbon từ CO₂, chúng vẫn ăn đường và từ chối khí nhà kính. Các nhà khoa học nghĩa rằng, họ cần đưa chủng E. coli biến đổi gen của mình vào một khóa tập huấn ăn kiêng.

Cụ thể, họ đã dành cả năm để nuôi cấy rất nhiều thế hệ E.coli mới trong một môi trường có rất ít đường, nhưng nồng độ CO₂ 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 E. coli 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 bị buộc phải lựa chọn.

So với E. coli bình thường có thể phân chia để tăng gấp đôi số lượng 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 được 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.

Cơ chế lấy CO2 làm nguồn carbon phát triển của chủng E. coli mới.

Bây giờ, Milo và nhóm của ông hy vọng cần phải tìm cách để khiến cho những con vi khuẩn của phát triển nhanh hơn và sống được ở một môi trường có nồng độ CO₂ thấp hơn. Họ cũng đang cố gắng tìm hiểu, làm thế nào E. coli có thể tiến hóa để ăn CO₂. Quá trình tiến hóa này có thể xảy ra sau khi 11 gen được tinh chỉnh lại, và giờ Milo đang nghiên cứu để hiểu được toàn bộ quá trình đó.

Nhận định về thành tựu đột phá này, Cheryl Kerfeld, một nhà sinh học đến từ Đại học bang Michigan ở East Lansing và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở California, Hoa Kỳ cho biết: Công trình này là một cột mốc quan trọng, cho thấy sức mạnh của việc kết hợp các kỹ thuật di truyền và tiến hóa để cải thiện các quá trình tự nhiên.

Trước đây, E. coli đã được sử dụng để tạo ra các phiên bản tổng hợp của nhiều hóa chất hữu ích như insulin và hormone tăng trưởng cho con người. Milo nói rằng công việc mà nhóm nghiên cứu của ông đang làm có thể mở rộng các sản phẩm mà vi khuẩn có thể tạo ra, bao gồm cả nhiên liệu tái tạo, thực phẩm và các chất khác.

Nhưng rất thực tế, Milo cho biết một tương lai mà ở đó, những con E. coli ăn CO₂ để nhả ra xăng sinh học, chưa thể tới ngay được. Đây mới chỉ là một nghiên cứu khái niệm bằng chứng (proof-of-concept). Chúng ta sẽ phải chờ đợi, ít nhất một vài năm nữa, mới có thể thấy được ứng dụng thực sự của những con E. coli căn CO₂ mới này.

Tham khảo Nature