Đi tìm Enzyme giúp phân hủy vải và polyester

Điểm chung của những chiếc áo phông, tấm thảm và chai nước ngọt là gì? Nhiều loại được làm từ polyetylen terephthalate (PET) - một loại nhựa phổ biến cách mạng hóa ngành công nghiệp vật liệu sau khi được cấp bằng sáng chế vào thập niên 1940. Được tạo ra từ quá trình tinh chế dầu mỏ, PET nổi tiếng về độ bền và tính linh hoạt. PET dễ dàng được đúc thành thùng chứa kín khí, dệt tấm thảm bền hoặc kéo thành quần áo polyester. Chỉ có điều, việc xử lý chúng khi đã trở thành rác thải để làm sạch môi trường lại là vấn đề đau đầu bao lâu nay.

Gregg Beckham, nhà nghiên cứu cấp cao tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ (NREL) và Giám đốc điều hành của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), giải thích: “Thực tế là hầu hết sản phẩm PET, đặc biệt là quần áo và thảm PET, ngày nay không được tái chế bằng công nghệ thông thường. Cộng đồng nghiên cứu đang phát triển một số giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, bao gồm các enzym được thiết kế để khử polyme hóa PET, nhưng ngay cả những lựa chọn này cũng có xu hướng dựa vào những bước tiền xử lý tốn nhiều năng lượng để có hiệu quả”. Do đó, hầu hết PET được sản xuất ngày nay cuối cùng cũng tìm được đường vào các bãi chôn lấp hoặc môi trường. Tuy nhiên, Beckham cho rằng câu chuyện đang thay đổi nhanh chóng.

Đi tìm Enzyme giúp phân hủy vải và polyester -0
Gregg Beckham tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ .

Những phương pháp tiên tiến trong học máy và sinh học tổng hợp mang đến cho nhà khoa học cái nhìn chưa từng có về sinh học cơ bản của các enzym phân hủy PET. Beckham và nhóm đồng nghiệp tại Đại học Portsmouth và Đại học bang Montana sử dụng các phương pháp này để khám phá những biến thể enzyme mới hứa hẹn phân hủy ngay cả loại PET cứng nhất mà không cần xử lý gì thêm. Điều đó không chỉ có nghĩa là chúng ta đang trên đà tái chế bằng enzym cho mọi dạng PET, bao gồm cả thảm và quần áo - mà còn có nghĩa là việc tái chế PET rẻ hơn so với việc tái chế từ đầu bằng dầu mỏ.

Enzyme phi thường ẩn trong đất bẩn

Khái niệm tái chế PET bằng enzym được biết đến từ năm 2005, nhưng nổi lên trên toàn thế giới vào năm 2016 sau khi một nhóm nhà khoa học Nhật Bản có một khám phá đáng ngạc nhiên. Bị chôn vùi trong lớp đất bên ngoài một cơ sở tái chế ở Nhật Bản, một loại vi khuẩn mà họ đặt tên là Ideonella sakaiensis lặng lẽ tiết ra enzym phân hủy những chai nước giải khát bằng nhựa nằm rải rác xung quanh. Thiên nhiên đã cung cấp một giải pháp tao nhã để tách mọi liên kết hóa học của PET. Bằng cách nào đó, tự nhiên chứng minh làm thế nào để biến chai PET trở lại những thành phần cơ bản mà từ đó chúng được tạo ra: axit terephthalic và ethylene glycol.

Một loạt nghiên cứu theo sau. Cộng đồng nhà khoa học tìm cách tăng cường enzym để sử dụng trong các công nghệ công nghiệp được trang bị để xử lý hàng triệu tấn PET sản xuất hàng năm. Nếu được cải thiện, một nền tảng tái chế bằng enzym giúp đại tu những hệ thống tái chế kém hiệu quả hiện nay, giảm năng lượng và khí thải nhà kính, đồng thời thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn cho mọi sản phẩm PET - thậm chí cả thảm và vải không thể tái chế bằng công nghệ thông thường.

Đi tìm Enzyme giúp phân hủy vải và polyester -0
Mô tả vi khuẩn Ideonella sakaiensis lặng lẽ tiết ra enzym phân hủy những chai nước giải khát bằng nhựa.

John McGeehan, nhà khoa học đứng đầu nhóm nghiên cứu tại Đại học Portsmouth (UoP), cho biết: “Các nhà nghiên cứu nhanh chóng nhận ra tiềm năng sử dụng enzym phân hủy nhựa. Chuyên gia từ một số lĩnh vực đa dạng như dược phẩm và nhiên liệu sinh học có thể sử dụng lại kinh nghiệm nghiên cứu trong nhiều thập kỷ để chế tạo enzym”. Beckham, McGeehan và đồng nghiệp chính là những nhân tố cốt lõi trong nỗ lực toàn cầu nhằm cải thiện quá trình tái chế PET bằng enzym. Nhóm nghiên cứu mô tả enzym cải thiện hiệu quả gấp 6 lần, phân tích tác động môi trường và kinh tế của việc tái chế PET quy mô công nghiệp.

Bằng cách xử lý PET trong 48 giờ trong lò phản ứng sinh học, họ cho thấy có thể chuyển đổi gần 98% nhựa trở lại thành axit terephthalic và ethylene glycol - các khối xây dựng tái chế chất lượng cao để sản xuất chai PET mới hoặc thậm chí là nhựa tiên tiến được thiết kế để trở nên tốt hơn. McGeehan nói thêm: “Thật là một trải nghiệm đáng kinh ngạc khi được làm việc trong một lĩnh vực đang mở rộng nhanh chóng như vậy. Chúng tôi đang đạt đến điểm mà khoa học hợp tác có tiềm năng to lớn giúp đẩy nhanh sự phát triển và triển khai những giải pháp dựa trên enzyme trên quy mô lớn”.

Bất chấp những tiến bộ nhanh chóng, một rào cản chính đối với việc tái chế enzym ở quy mô công nghiệp vẫn xuất hiện. Tuy nhiên, enzym chỉ có hiệu quả trên một tỷ lệ nhỏ sản phẩm PET - những sản phẩm được làm từ PET “vô định hình”. Họ đã phải vật lộn để phân hủy các loại PET “tinh thể” bền, phổ biến mà không làm mềm chúng trước bằng nhiệt độ cao và năng lượng bổ sung. PET kết tinh bao gồm gần 90% tổng số PET được sản xuất, bao gồm sợi polyester trong quần áo và những bộ phận của chai nước giải khát sử dụng một lần. Những gì giới khoa học cần là các enzyme chuyên nghiệp hơn trong việc phá vỡ PET kết tinh.

Đi tìm Enzyme giúp phân hủy vải và polyester -0
Mẫu PET bên phải mất 97,7% khối lượng sau khi bị phân hủy bởi các enzym của NREL/UoP.

“Đào bới” các enzym mới

May mắn thay, nhóm nghiên cứu không cần xẻng để đào các loại enzyme mới. Những tiến bộ trong sinh học và học máy đã giúp có được cơ sở dữ liệu rộng lớn về trình tự enzyme hiện có cho mọi hoạt động trên PET tinh thể. Japheth Gado, nhà khoa học máy tính của NREL, nhận định: “Những phương pháp truyền thống để vạch ra enzyme ăn nhựa mới từ cơ sở dữ liệu có thể không hiệu quả, vì các enzyme rất giống nhau về cấu tạo hóa học của chúng có thể không nhất thiết giữ lại hoạt động phân hủy nhựa”.

Để giải quyết thách thức đó, Gado xây dựng một mô hình thống kê để tìm hiểu quy tắc sinh học của các enzym phân hủy nhựa đã biết. Mô hình chỉ định xác suất cho thành phần độc đáo của những enzyme được nghiên cứu cho đến nay. Gado cũng xây dựng một mô hình máy học đồng hành cho phép dự đoán khả năng chịu nhiệt của enzyme - điều quan trọng đối với ứng dụng công nghiệp. Cùng với nhau, hai mô hình tính toán cho phép Gado và đồng nghiệp dự đoán những điều chưa biết. Trong vòng chưa đầy 1 giờ, họ đã sàng lọc hơn 250 triệu protein để tạo ra một danh sách ngắn những ứng cử viên đầy triển vọng. Thử nghiệm thêm xác nhận 36 chất có thể phân hủy PET và 24 chất trước đây chưa được mô tả trong tài liệu khoa học. Điều quan trọng là, một số thậm chí còn tốt hơn trong việc phá vỡ PET kết tinh so với PET vô định hình.

Đi tìm Enzyme giúp phân hủy vải và polyester -0
Hai nhà nghiên cứu Japheth Gado (trái), Erika Erickson cùng đồng nghiệp phát hiện và mô tả các enzym phân hủy PET kết tinh.

Gado giải thích: “Những enzym mới này không chỉ đa dạng về mặt di truyền. Chúng có cấu trúc đa dạng với hình học khác nhau của các vị trí hoạt động”. Gado có thể nói một cách tự tin về cấu trúc của 24 enzym mới bởi vì ông nhìn thấy chúng trông như thế nào - ít nhất là trong tập hợp bản vẽ 3D do nhóm nhà nghiên cứu tại DeepMind, một công ty con của Alphabet, cung cấp. Được biết đến với việc lập bản đồ “toàn bộ vũ trụ protein” bằng công cụ học sâu AlphaFold, DeepMind mô tả các enzym để nhóm có thể so sánh những enzym cạnh nhau và lưu ý sự khác biệt của chúng. Tất cả đều có khả năng phân hủy PET, nhưng một số trông rất khác biệt với nhau. Theo Gado, kết xuất từ DeepMind cung cấp manh mối vô giá về cách các enzym phân hủy nhựa hoạt động trên PET.

Gado cho biết thêm: “Những phương pháp AI tiên tiến nhất giúp chúng tôi tìm ra các mẫu trong dữ liệu enzyme sẽ cung cấp hiểu biết nâng cao về điều gì tạo nên một loại enzyme ăn nhựa tốt. Điều này cho phép chúng tôi cải thiện enzyme bằng kỹ thuật protein và tìm ra các enzyme khác trong tự nhiên tương tự về hiệu suất”. Đó là một bước tiến gần hơn đến việc thực hiện tái chế PET trên quy mô lớn.

Đi tìm Enzyme giúp phân hủy vải và polyester -0
Áo phông và chai nước ngọt được làm từ polyetylen terephthalate (PET).

Rẻ hơn và xanh hơn

Theo Beckham, làm sạch, cắt nhỏ và làm nóng - những bước cần thiết để chuẩn bị PET cho quá trình phân hủy - là một trong những yếu tố thúc đẩy tính bền vững quan trọng nhất cho một cơ sở tái chế enzym quy mô công nghiệp. Beckham giải thích: “Việc giảm thiểu những bước tiền xử lý này là rất quan trọng cho phép chi phí tái chế bằng enzym cạnh tranh với việc tạo ra nhựa PET từ dầu mỏ. Trong loạt thí nghiệm tiếp theo, nhóm nghiên cứu lưu ý một số enzyme được đánh dấu bằng phương pháp học máy của họ có hiệu quả như nhau trong việc phá vỡ PET kết tinh và vô định hình. Đơn giản là những enzyme đó không cần tiền xử lý để giúp làm mềm các liên kết của nhựa. Bằng cách loại bỏ quá trình tiền xử lý, công nghệ này cho phép tái chế PET ở quy mô công nghiệp mà thực sự rẻ hơn so với sản xuất PET nguyên chất sử dụng dầu mỏ. Thậm chí tốt hơn, nó giúp giảm năng lượng liên quan và khí thải nhà kính”.

Trong một bài báo xuất bản trên Joule, nhóm định lượng được lợi ích kinh tế và môi trường của việc sử dụng các enzym hoạt động trên PET kết tinh. Tại một cơ sở quy mô công nghiệp, làm như vậy có thể giảm 45% nhu cầu năng lượng của chuỗi cung ứng và giảm 38% lượng khí thải nhà kính trong vòng đời so với những hệ thống sử dụng tiền xử lý. Những lợi thế kinh tế cũng không kém phần ấn tượng. Khi phân hủy thảm và quần áo PET phế thải - không thể tái chế bằng công nghệ thông thường - họ cũng có thể sản xuất axit terephthalic với giá dưới 1 USD/kg. Axit terephthalic có nguồn gốc từ dầu mỏ từng được bán với giá từ 1 đến 1,50 USD mỗi kg. Erika Erickson, cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của NREL, người thực hiện nhiều công việc thử nghiệm đằng sau loạt nghiên cứu, bình luận: “Nền tảng enzym của chúng tôi tạo ra động lực kinh tế giúp làm sạch đại dương của chúng ta. Ở mức giá như vậy, ô nhiễm PET được tái chế thành những sản phẩm PET mới hoặc tìm mục đích mới trong cánh quạt tuabin gió hoặc tấm cản bằng sợi carbon”.

Mọi sản phẩm PET sau tiêu dùng, thường là nguồn gây ô nhiễm ngày nay, có thể được chuyển đổi thành các nguồn tài nguyên quý giá giúp hỗ trợ nền kinh tế nhựa bền vững hơn với môi trường. Không khó để tưởng tượng điều này có thể lật ngược câu chuyện về nhựa như thế nào: PET quá rẻ để tái chế đến nỗi mọi nền kinh tế ủng hộ việc ném nó vào thùng tái chế thay vì thùng rác. Một chiếc áo phông, một tấm thảm, một chai nước ngọt - tất cả đều được sử dụng và bắt đầu hành trình vòng tròn của chúng như những viên gạch xây dựng để tạo ra một thế giới xanh hơn, sạch hơn.

Duy Minh (Tổng hợp)

Các tin khác

Koral - Tên lửa đất đối không của Ukraine

Koral - Tên lửa đất đối không của Ukraine

Tên lửa đất đối không Koral (đôi khi cũng được viết là Coral) dường như đã ra mắt công chúng như một phần trong loạt hệ thống vũ khí nội địa mới của Ukraine được giới thiệu gần đây.

Những thử nghiệm độc đáo của NASA trong không gian

Những thử nghiệm độc đáo của NASA trong không gian

Các thí nghiệm trên tàu con thoi vũ trụ đã chỉ ra rằng vi khuẩn Salmonella, một nguồn gây ngộ độc thực phẩm phổ biến và đôi khi gây tử vong, trở nên độc hại hơn trong không gian. Đó là nghiên cứu được thực hiện trên chuyến bay STS-115 của tàu Atlantis năm 2006 và STS-123 của tàu Endeavour hai năm sau đó...

Báo động tình trạng ma túy xâm nhập học đường

Báo động tình trạng ma túy xâm nhập học đường

Những lọ tinh dầu nhỏ gọn, mang vẻ ngoài vô hại như dung dịch thuốc nhỏ mắt hay tinh dầu thuốc lá điện tử đang trở thành lớp vỏ ngụy trang tinh vi cho các chất ma túy thế hệ mới. Không chỉ dừng lại ở việc sử dụng, mà đau lòng hơn, nhiều em học sinh còn mua bán, tàng trữ ngay trong môi trường học đường, gióng lên hồi chuông cảnh báo về tình trạng mua bán ma túy ngày càng trẻ hóa.

Hiệu quả chuyển đổi số trong công tác tuyển sinh đầu cấp

Hiệu quả chuyển đổi số trong công tác tuyển sinh đầu cấp

Những ngày gần đây, các địa phương trên cả nước đang tất bật triển khai công tác tuyển sinh đầu cấp. Với thành phố đông dân, tập trung nhiều trường học như Thủ đô Hà Nội, công tác tuyển sinh càng được chú trọng thay đổi; từ khâu đăng ký dự thi, tra cứu thông tin đến công bố kết quả triển khai đồng bộ các nền tảng trực tuyến, mang lại sự thuận tiện và minh bạch hơn cho phụ huynh, học sinh.

Một quyết định tháo gỡ

Một quyết định tháo gỡ

Chiều 5/12/2025, với 439/443 đại biểu biểu quyết tán thành, Quốc hội đã thông qua thông Luật Giám định tư pháp sửa đổi, sẽ có hiệu lực từ ngày 1/5/2026. Luật này đã khôi phục “quyền” giám định pháp y thương tích trên người sống của các bác sĩ pháp y CAND…

Một vụ mạo danh và sự ra đời của pháp lý về danh tính

Một vụ mạo danh và sự ra đời của pháp lý về danh tính

Giữa thế kỷ XVI, tại một ngôi làng nhỏ miền Nam nước Pháp, một người đàn ông trở về sau nhiều năm mất tích và được cả cộng đồng thừa nhận là Martin Guerre. Ông được vợ chấp nhận, được gia đình đón nhận, thậm chí tham gia các tranh chấp tài sản như một chủ hộ thực sự. Chỉ có một sự thật mà không ai nhận ra trong nhiều năm: ông không phải Martin Guerre. Vụ án sau đó không chỉ là câu chuyện về một kẻ mạo danh, mà còn trở thành một trong những hồ sơ đầu tiên đặt nền móng cho tư duy pháp lý về danh tính con người - một vấn đề mà hơn 4 thế kỷ sau vẫn còn nguyên tính thời sự.

Chúng ta quá dễ bị tổn thương khi dữ liệu trở thành vũ khí

Chúng ta quá dễ bị tổn thương khi dữ liệu trở thành vũ khí

Cuộc tấn công bằng máy bay không người lái của Iran mới đây nhắm vào trung tâm dữ liệu của các hãng công nghệ lớn tại Trung Đông bất ngờ gióng lên hồi chuông cảnh báo đối với thế giới: cơ sở hạ tầng dữ liệu đã chuyển từ tài sản thương mại thành mục tiêu chiến lược.

Cuộc chạy đua tên lửa dẫn đường chính xác

Cuộc chạy đua tên lửa dẫn đường chính xác

Các cường quốc hàng đầu hiện đang bắt đầu hiểu được những thay đổi mang tính cách mạng do tiềm năng sử dụng rộng rãi các loại vũ khí chính xác tầm xa mang lại. Ở quy mô mà tên lửa chiến thuật có thể được sản xuất và triển khai hàng nghìn chiếc, tên lửa hành trình hàng chục nghìn chiếc và máy bay không người lái cảm tử tầm xa hàng triệu chiếc mỗi năm, tác động của chúng sẽ tương đương với vũ khí hạt nhân, ít nhất là ở cấp độ chiến thuật. Tất nhiên, giải pháp tối ưu sẽ luôn là sự kết hợp của cả hai, nhưng hoàn toàn có thể trong vòng 5 đến 10 năm tới, chính các loại vũ khí tầm xa, độ chính xác cao sẽ có khả năng giải quyết nhiệm vụ chính là đánh bại kẻ thù từ xa mà không cần sử dụng máy bay có người lái.

Những vũ khí mới Mỹ tấn công Iran được nâng cấp từ chính vũ khí nổi tiếng của Tehran

Những vũ khí mới Mỹ tấn công Iran được nâng cấp từ chính vũ khí nổi tiếng của Tehran

Cuộc chiến với Iran đang trở thành nơi thử nghiệm cho các loại vũ khí mới nhất của Mỹ. Quân đội Hoa Kỳ đã sử dụng một số loại vũ khí mới để thực hiện các cuộc tấn công chống lại Tehran. Chúng bao gồm tên lửa đạn đạo tầm ngắn và máy bay không người lái (UAV) tấn công giá rẻ. Loại này được Mỹ cải biên từ công nghệ UAV của Iran. Các nhà quan sát cũng phát hiện ra một biến thể mới của tên lửa hành trình phóng từ tàu chiến.

Data “nóng” lên sàn “chợ đen”

Data “nóng” lên sàn “chợ đen”

Bỗng một ngày nào đó, người ta bàng hoàng khi phát hiện hình ảnh của mình bị rao bán trên mạng với cảnh nhạy cảm, bị cắt ghép, chắp vá thành những món hàng “nóng” và bị trao đổi, mua bán như mớ rau, cân cá trên “chợ đen”. Đây là thực trạng đáng báo động, ảnh hưởng nghiêm trọng đến danh dự và nhân phẩm con người, gây ra nhiều hệ lụy xấu cho cộng đồng và xã hội...

DNA và vụ án “giết người chưa từng gặp”

DNA và vụ án “giết người chưa từng gặp”

DNA của một người vô gia cư Mỹ được tìm thấy dưới móng tay một nạn nhân bị giết, nhưng anh chưa từng gặp người đó trong đời, và từ nghịch lý này, một sự thật lộ ra: thứ được coi là bằng chứng chắc chắn nhất lại có thể đẩy một người vô tội đến sát bờ vực bị kết án.

Công nghệ kỹ thuật số tham chiến tại Trung Đông

Công nghệ kỹ thuật số tham chiến tại Trung Đông

Khi công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) và các công cụ kỹ thuật số ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động quân sự, chiến sự giữa Mỹ, Israel và Iran cho thấy cách thức tiến hành chiến tranh đang thay đổi nhanh chóng. Khi dữ liệu trở thành mục tiêu và AI trở thành công cụ ra quyết định, ranh giới giữa chiến tranh truyền thống và chiến tranh công nghệ cao gần như bị xóa nhòa.

AI tái định nghĩa ưu thế quân sự?

AI tái định nghĩa ưu thế quân sự?

Mới đây, một công ty công nghệ quốc phòng Trung Quốc tuyên bố hệ thống AI của họ đã phát hiện tín hiệu từ máy bay ném bom tàng hình B-2 của Mỹ và dấu hiệu huy động quân sự nhiều tuần trước khi cuộc xung đột với Iran leo thang.

Tên lửa bí ẩn từ vũ trụ của Israel

Tên lửa bí ẩn từ vũ trụ của Israel

Việc Israel sử dụng tên lửa Blue Sparrow đã thu hút sự chú ý toàn cầu vì quỹ đạo bay bất thường, tốc độ cao và khả năng tấn công các vị trí được phòng thủ kiên cố mà không cần nhiều cảnh báo.

Vụ rò rỉ hơn 16 tỷ mật khẩu lớn nhất lịch sử

Vụ rò rỉ hơn 16 tỷ mật khẩu lớn nhất lịch sử

Hơn 16 tỷ mật khẩu và thông tin đăng nhập bị phơi bày trên không gian mạng đã tạo ra cú sốc lớn đối với giới an ninh toàn cầu. Vượt ra ngoài con số kỷ lục, vụ rò rỉ đã phơi lộ một thực tế đáng lo ngại: các lỗ hổng an ninh đang âm thầm kết nối, và chuyển hóa thành mối đe dọa có tính hệ thống.

Cuộc chiến quyền lực kỹ thuật số

Cuộc chiến quyền lực kỹ thuật số

Việc kiểm soát các tuyến cáp quang ngầm dưới biển, huyết mạch của mạng Internet toàn cầu, đã trở thành chiến tuyến mới trong cuộc chiến giành quyền lực kỹ thuật số. Trong các vùng biển tranh chấp, sức mạnh thường được coi là một màn trình diễn.

ChatGPT - vũ khí của nữ sát thủ

ChatGPT - vũ khí của nữ sát thủ

Một phụ nữ 21 tuổi ở Hàn Quốc vừa bị cáo buộc đã sử dụng phần mềm ChatGPT để giúp trả lời các câu hỏi khi cô ta lên kế hoạch cho một loạt vụ giết người khiến hai người đàn ông thiệt mạng và một người khác bất tỉnh trong giây lát.