Chế xăng từ không khí

Một enzyme nằm trong hệ vi sinh vật quanh rễ đậu nành vừa mở ra ý tưởng đặc biệt: sản xuất nhiên liệu từ carbon monoxide trong không khí, thay vì chỉ khai thác các nguồn nhiên liệu truyền thống. Nhân vật trung tâm là Vanadium nitrogenase, enzyme vốn nổi tiếng với khả năng biến nitrogen trong khí quyển thành ammonia, hợp chất thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng. Nếu nghiên cứu tiếp tục đạt kết quả thuận lợi, phát hiện này một ngày nào đó có thể góp phần tạo ra những chiếc ô tô vận hành bằng chính khí thải của chúng. Vanadium nitrogenase được tìm thấy trong Azotobacter vinelandii, một loài vi khuẩn có tầm quan trọng kinh tế đối với nông nghiệp hiện đại. Loài vi khuẩn này thường sống trong đất quanh rễ những cây có khả năng cố định nitrogen, trong đó có đậu nành, rồi hỗ trợ cây sử dụng nguồn nitrogen vốn không thể hấp thụ trực tiếp. Nông dân ưa chuộng các cây chứa Azotobacter vinelandii vì hệ enzyme của vi khuẩn biến nitrogen khí quyển thành ammonia cùng nhiều hóa chất khác, giúp những cây trồng tiếp theo tăng trưởng. Trong điều kiện tự nhiên, Vanadium nitrogenase đảm nhiệm công việc xử lý nitrogen, không phải chế tạo nhiên liệu cho bếp hay phương tiện giao thông. Markus Ribbe thuộc Đại học California, Irvine, cùng các cộng sự đã tách riêng enzyme này để nghiên cứu cơ chế chuyển nitrogen thành ammonia. Sau đó, nhóm loại bỏ nitrogen và ôxy mà enzyme thường sử dụng, đồng thời thay thế khoảng trống phân tử bằng carbon monoxide, còn gọi là CO. Kết quả khiến các nhà nghiên cứu bất ngờ, bởi enzyme bắt đầu xử lý CO theo cách khác hẳn chức năng quen thuộc trong tế bào vi khuẩn. Không còn nitrogen và ôxy, Vanadium nitrogenase tạo ra những chuỗi carbon ngắn, gồm các phân tử chứa hai hoặc ba nguyên tử carbon. Chuỗi có ba nguyên tử carbon chính là propane, loại khí quen thuộc thường được dùng làm nhiên liệu cho các bếp nấu ăn. Phát hiện này chưa biến không khí thành xăng theo nghĩa thông thường, nhưng nó cho thấy một con đường hóa học mới để tạo ra nhiên liệu từ những thành phần khí đơn giản. Về mặt khoa học, Jonas Peters, chuyên gia thuộc Viện Công nghệ California, đánh giá chức năng mới của Vanadium nitrogenase là một khám phá có ý nghĩa sâu sắc. Nhận định này xuất phát từ khả năng enzyme có thể trở thành nền tảng cho những quy trình công nghiệp hoàn toàn khác với cách sản xuất nhiên liệu hiện nay. Theo Jonas Peters, nếu các nhà khoa học kéo dài được những chuỗi carbon do enzyme tạo ra, nghiên cứu có thể dẫn đến phương pháp sản xuất nhiên liệu lỏng tổng hợp với nhiều ứng dụng quan trọng. Propane hiện mới chỉ là sản phẩm gồm ba nguyên tử carbon, trong khi nhiên liệu lỏng thường cần các phân tử lớn hơn, phức tạp hơn. Vì vậy, khoảng cách từ kết quả trong phòng thí nghiệm đến một loại xăng sử dụng cho ô tô vẫn còn rất xa, dù hướng nghiên cứu đã được mở. Viễn cảnh hấp dẫn nhất nằm ở ý tưởng ô tô có thể sử dụng khí thải của chính mình làm nguyên liệu cho chu trình tạo nhiên liệu mới. Tuy nhiên, Ribbe và Peters nhấn mạnh thách thức trước mắt vẫn là trích xuất Vanadium nitrogenase với hiệu suất đủ cao cho các ứng dụng thực tế. Enzyme này vốn được giới khoa học biết đến từ lâu nhờ vai trò nông nghiệp, nhưng việc thu được số lượng lớn vẫn đặc biệt khó khăn. Các nhà nghiên cứu từng cách ly những gene mã hóa Vanadium nitrogenase từ hơn 20 năm trước, cho thấy kiến thức nền tảng về enzyme này đã xuất hiện từ khá sớm. Chỉ trong vài năm gần đây, công nghệ trích xuất, nuôi cấy và lưu trữ lượng enzyme lớn mới tiến bộ đủ để hỗ trợ những thí nghiệm như nghiên cứu của Ribbe. Con đường từ enzyme trong rễ đậu nành đến nhiên liệu cho ô tô còn nhiều chặng, nhưng phát hiện này chứng minh thiên nhiên đôi khi sở hữu những công cụ hóa học bất ngờ.