Trong nhiều thập kỷ qua, nhựa đã trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống hiện đại – từ bao bì, thiết bị y tế, linh kiện điện tử đến vật liệu xây dựng và ô tô. Theo số liệu từ Liên hợp quốc, tính đến năm 2022, thế giới đã sản xuất hơn 400 triệu tấn nhựa mỗi năm. Tuy nhiên, trong khi nhựa mang lại tiện lợi vượt trội, thì mặt trái của nó là một cuộc khủng hoảng môi trường toàn cầu.

Nhựa truyền thống – chủ yếu được sản xuất từ các dẫn xuất dầu mỏ – có đặc tính cực kỳ bền, mất hàng trăm năm để phân hủy hoàn toàn trong tự nhiên. Hệ quả là hàng tỷ tấn rác nhựa đang tồn đọng tại các bãi rác, đại dương và thậm chí cả trong chuỗi thức ăn. Trong bối cảnh ô nhiễm nhựa ngày càng nghiêm trọng, việc phát triển các loại nhựa phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường trở thành một ưu tiên hàng đầu trong lĩnh vực khoa học vật liệu và công nghệ sinh học.

Từ vi khuẩn E. coli đến nhựa sinh học: Một hướng đi mới

Mới đây, một nhóm các nhà khoa học Hàn Quốc đã thực hiện bước tiến quan trọng trong nỗ lực này: biến đổi vi khuẩn Escherichia coli (E. coli) để sản xuất một loại nhựa hoàn toàn mới mang tên polyester amides (PEA), có khả năng phân hủy sinh học trong môi trường tự nhiên. Thành tựu này không chỉ mở ra một con đường mới trong ngành công nghiệp vật liệu, mà còn đặt nền móng cho một tương lai sản xuất nhựa dựa trên vi sinh vật – sạch, bền vững và thân thiện với môi trường.

Vì sao chọn E. coli?

E. coli là một trong những vi khuẩn được nghiên cứu nhiều nhất trên thế giới. Đây là một loại vi khuẩn đường ruột phổ biến, đã được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học và kỹ thuật di truyền nhờ khả năng phát triển nhanh, dễ nuôi cấy và có hệ gen dễ chỉnh sửa.

Nhờ các công cụ sinh học phân tử hiện đại, nhóm nghiên cứu đã biến đổi E. coli để nó có thể sản sinh ra các enzyme cần thiết nhằm tổng hợp một loại polyme mới – kết hợp giữa đặc tính bền cơ học của polyamide (nylon) và khả năng phân hủy sinh học của polyester.

PEA – bước tiến trong vật liệu sinh học

Polyester amides (PEA) là một loại nhựa lai tạo, kết hợp giữa hai dòng vật liệu vốn có tính chất rất khác biệt: polyamide và polyester. Trong khi polyamide (như nylon) nổi tiếng về độ bền cơ học, khả năng chịu lực và chịu nhiệt, thì polyester – đặc biệt là các loại sinh học như polylactic acid (PLA) hay polyhydroxyalkanoates (PHA) – lại có khả năng phân hủy trong môi trường.

Sự kết hợp này giúp PEA sở hữu cả hai ưu điểm: vừa bền vững trong sử dụng, vừa có khả năng phân hủy sau khi thải ra môi trường – điều mà hầu hết các loại nhựa truyền thống không làm được.

Điểm nổi bật nhất trong nghiên cứu này là việc sản xuất PEA không phụ thuộc vào nguyên liệu hóa dầu, mà hoàn toàn dựa vào quá trình sinh học trong tế bào vi khuẩn. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, một loại nhựa PEA được tổng hợp hoàn toàn nhờ vi sinh vật.

Cơ chế sản xuất: Tinh chỉnh enzyme và điều khiển quá trình sinh học

Để đạt được kết quả trên, nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã sử dụng hai loại enzyme then chốt từ hai loài vi khuẩn khác: một enzyme từ Clostridium và một từ Pseudomonas. Vai trò của các enzyme này là xúc tác cho quá trình kết hợp các axit amin – các khối xây dựng cơ bản của protein – thành chuỗi polyme có đặc tính của polyester và polyamide.

Thông qua kỹ thuật chỉnh sửa gen, các nhà khoa học đã tích hợp các gen mã hóa enzyme vào hệ gen của E. coli, cho phép vi khuẩn này tự tổng hợp ra các enzyme cần thiết ngay trong quá trình phát triển. Kết quả là, E. coli đã trở thành một "nhà máy sinh học thu nhỏ", có thể tự động sản xuất polyme sinh học trong điều kiện nuôi cấy thích hợp.

Một điểm then chốt khác trong nghiên cứu là khả năng điều chỉnh tỷ lệ các axit amin trong quá trình tổng hợp. Nhờ đó, nhóm nghiên cứu có thể điều khiển được tính chất của PEA như độ bền kéo, nhiệt độ nóng chảy, độ mềm dẻo hay tốc độ phân hủy. Đây là yếu tố quan trọng giúp vật liệu mới có thể ứng dụng linh hoạt trong nhiều ngành công nghiệp.

Tiềm năng ứng dụng của nhựa sinh học PEA

Dù vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm, nhưng PEA sản xuất từ vi khuẩn E. coli được kỳ vọng sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tế.

1. Bao bì sinh học và hàng tiêu dùng

Với khả năng phân hủy sinh học, PEA có thể thay thế cho các loại nhựa dùng một lần – bao gồm túi nilon, bao bì đóng gói thực phẩm, ống hút, dao kéo nhựa,... Trong ngành hàng tiêu dùng nhanh (FMCG), việc sử dụng PEA sẽ giúp giảm đáng kể lượng rác thải nhựa và góp phần giảm ô nhiễm.

2. Y tế và dược phẩm

Nhờ độ bền và tính linh hoạt về đặc tính vật liệu, PEA có thể được sử dụng để sản xuất các thiết bị y tế dùng một lần như ống tiêm, bao tay, hoặc các thiết bị cấy ghép có khả năng phân hủy tự nhiên sau thời gian sử dụng.

3. Kỹ thuật và điện tử

Nếu được điều chỉnh để có độ bền nhiệt cao hơn, PEA có thể ứng dụng trong ngành công nghiệp kỹ thuật, sản xuất linh kiện điện tử, vật liệu cách điện, hoặc các thiết bị cần vật liệu có độ bền cơ học nhưng vẫn đảm bảo khả năng phân hủy sinh học sau khi hết vòng đời sử dụng.

Những thách thức phía trước

Dù tiềm năng rất lớn, song công nghệ sản xuất PEA từ vi khuẩn E. coli hiện vẫn đang trong quá trình hoàn thiện và phải đối mặt với một số thách thức nhất định:

1. Hiệu suất sản xuất

So với quy trình sản xuất nhựa từ dầu mỏ – vốn đã được công nghiệp hóa hàng chục năm, hiệu suất sản xuất của E. coli còn khá thấp. Để cạnh tranh về chi phí và quy mô, cần tối ưu hóa hơn nữa các chủng vi khuẩn, điều kiện nuôi cấy và quy trình chiết tách polyme.

2. Chi phí

Công nghệ sinh học – đặc biệt là công nghệ enzyme – vẫn còn đắt đỏ so với các phương pháp truyền thống. Việc mở rộng sản xuất lên quy mô công nghiệp cần thêm thời gian và đầu tư lớn để có thể giảm giá thành.

3. Đánh giá vòng đời

Để thực sự là một giải pháp bền vững, cần có các đánh giá toàn diện về vòng đời sản phẩm PEA: từ nguồn nguyên liệu, năng lượng sử dụng, nước thải đến khả năng tái chế, phân hủy trong điều kiện thực tế,... Việc này sẽ giúp xác định mức độ thân thiện với môi trường một cách chính xác.

Tương lai của ngành nhựa sinh học: Vi sinh vật là chìa khóa?

Nghiên cứu này là một ví dụ điển hình cho xu hướng mới trong khoa học vật liệu: sử dụng các sinh vật sống – đặc biệt là vi khuẩn và vi tảo – để sản xuất vật liệu thay thế cho hóa chất từ dầu mỏ. Trên thế giới, nhiều công ty khởi nghiệp và viện nghiên cứu đang tập trung vào phát triển các loại nhựa sinh học từ tảo, nấm men, nấm mốc và nhiều chủng vi sinh khác.

Ở cấp độ vĩ mô, việc đầu tư vào công nghệ sinh học không chỉ giúp tạo ra các sản phẩm thân thiện với môi trường, mà còn mở ra một chuỗi giá trị mới cho nền kinh tế xanh, bền vững – nơi sản xuất công nghiệp không còn là gánh nặng cho hệ sinh thái.

Việc sử dụng E. coli để sản xuất polyester amides (PEA) là một thành tựu đáng ghi nhận trong lĩnh vực vật liệu sinh học và công nghệ sinh học. Nó không chỉ thể hiện tiềm năng to lớn của vi sinh vật trong sản xuất công nghiệp, mà còn mang lại hy vọng về một tương lai mà nhựa – một trong những vấn đề ô nhiễm lớn nhất hiện nay – có thể được thay thế bằng các giải pháp sạch, thân thiện và bền vững.

Từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thương mại, còn nhiều chặng đường phía trước. Tuy nhiên, nghiên cứu của các nhà khoa học Hàn Quốc đã khẳng định một điều: công nghệ vi sinh là chìa khóa để con người làm lại từ đầu – tái định hình ngành công nghiệp nhựa, hướng tới một tương lai không nhựa thải, không ô nhiễm và đầy hy vọng.

Nguồn: Tổng hợp