Biến rác thải thành mỹ phẩm

Mỗi năm, ngành mỹ phẩm, chất tẩy rửa và thức ăn chăn nuôi toàn cầu tiêu thụ hàng triệu tấn axit béo chuỗi trung bình, nhóm hóa chất mà phần lớn người tiêu dùng không biết tên nhưng tiếp xúc hàng ngày qua xà phòng, kem dưỡng da và thực phẩm chức năng. Gần như toàn bộ lượng hóa chất đó được chiết xuất từ dầu hạt cọ, một nguyên liệu gắn liền với nạn phá rừng nhiệt đới ở Indonesia và Malaysia trong nhiều thập kỷ qua. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Toronto vừa công bố trên tạp chí Nature Microbiology một hướng thoát khỏi sự phụ thuộc đó: dùng vi khuẩn lên men rác thải để sản xuất chính những hóa chất này.

Điều đáng chú ý không phải là ý tưởng lên men vi sinh vật, đó là công nghệ đã có từ hàng nghìn năm. Đây là lần đầu tiên nhóm nghiên cứu giải mã được cơ chế kiểm soát bên trong vi khuẩn, xác định chính xác vì sao cùng một loài vi sinh vật đôi khi tạo ra hóa chất có giá trị cao, đôi khi lại tạo ra hóa chất gần như vô dụng về mặt thương mại và quan trọng hơn, làm thế nào để điều khiển kết quả đó theo ý muốn.

Các nhà khoa học dùng vi khuẩn biến rác thực phẩm thành hóa chất mỹ phẩm. Ảnh: Getty Images

Bài toán dầu cọ và thị trường 3 tỷ USD

Để hiểu tại sao phát hiện này quan trọng, cần nhìn vào cấu trúc của thị trường hiện tại. Axit cacboxylic mạch trung bình, hay MCCA, là nhóm phân tử có từ sáu đến mười hai nguyên tử carbon. Chúng xuất hiện trong thành phần của kem chống nắng, dầu gội đầu, chất nhũ hóa thực phẩm, kháng khuẩn tự nhiên và thức ăn chăn nuôi gia súc. Thị trường toàn cầu cho nhóm này ước tính khoảng 3 tỷ USD mỗi năm theo số liệu từ nhóm nghiên cứu.

Dầu hạt cọ là nguồn cung cấp tự nhiên phong phú nhất cho MCCA vì thành phần axit béo của nó phù hợp với nhiều phân tử trong nhóm này. Nhưng chuỗi cung ứng dầu cọ từ lâu đã gắn với những vấn đề khó giải quyết: phá rừng để mở rộng đồn điền, mất đa dạng sinh học tại các vùng rừng nhiệt đới và khó truy xuất nguồn gốc xuyên suốt từ đồn điền đến nhà máy chế biến. Nhiều nhãn hàng mỹ phẩm và hàng tiêu dùng lớn đã cam kết giảm phụ thuộc vào dầu cọ nhưng thiếu nguồn thay thế có quy mô thương mại đủ lớn.

Tại sao các hướng sinh học khác chưa giải quyết được bài toán này? Phần lớn công nghệ lên men vi sinh hiện tại dùng đường tinh luyện hoặc glucose làm nguyên liệu đầu vào, tức là vẫn cần nguyên liệu nông nghiệp, chỉ thay đổi loại cây trồng chứ không thoát khỏi chuỗi phụ thuộc vào đất canh tác. Hướng đi của nhóm Toronto khác ở chỗ vi khuẩn họ nghiên cứu thuộc nhóm có thể ăn chất thải hữu cơ thay vì đường tinh luyện, rác thực phẩm đô thị, phụ phẩm từ nhà máy sữa, bã nông nghiệp, những thứ hiện đang bị chôn lấp hoặc đốt bỏ.

Enzyme CoAT, "công tắc" ẩn bên trong vi khuẩn

Giáo sư Chris Lawson, người đứng đầu nghiên cứu, mô tả vấn đề cốt lõi mà nhóm phải giải quyết: vi khuẩn kéo dài chuỗi, hay CEB, có khả năng tự nhiên tạo ra MCCA thông qua quá trình lên men, nhưng trong điều kiện nuôi cấy thông thường chúng thường tạo ra butyrate, một axit béo bốn nguyên tử carbon có giá trị thương mại rất thấp thay vì axit octanoic tám nguyên tử carbon là mục tiêu mong muốn.

Để hiểu tại sao điều đó xảy ra, hãy hình dung vi khuẩn như một nhà máy hóa chất nhỏ có nhiều dây chuyền sản xuất song song. Tùy vào điều kiện môi trường và trạng thái nội bào, nhà máy đó có thể chạy dây chuyền tạo ra sản phẩm A hoặc sản phẩm B và trong nhiều thập kỷ nghiên cứu, cơ chế quyết định lựa chọn đó vẫn chưa được làm rõ.

Nhóm nghiên cứu phát hiện hai yếu tố kiểm soát quyết định đó. Thứ nhất là tỷ lệ giữa lactate và acetate trong môi trường nuôi cấy, hai hợp chất mà vi khuẩn tiêu thụ làm nguyên liệu đầu vào. Khi tỷ lệ này thay đổi, vi khuẩn có xu hướng chuyển sang tạo phân tử dài hơn hoặc ngắn hơn. Thứ hai, và quan trọng hơn, là một enzyme tên CoA transferase hay CoAT, hoạt động như một chiếc công tắc phân tử: ở những vi khuẩn tạo ra MCCA chuỗi dài có giá trị cao, enzyme CoAT của chúng có cấu trúc khác biệt, cho phép nó xử lý được các tiền chất đã có sáu hoặc tám nguyên tử carbon thay vì chỉ xử lý được tiền chất bốn nguyên tử carbon.

Phát hiện này chuyển bài toán từ "làm thế nào để vi khuẩn tạo ra MCCA" sang "làm thế nào để chọn đúng vi khuẩn và điều chỉnh đúng điều kiện", một bài toán có thể giải quyết được bằng kỹ thuật sinh học và thiết kế lò phản ứng, thay vì phải biến đổi gene một cách ngẫu nhiên và hy vọng kết quả tốt.

Từ phòng thí nghiệm đến nhà máy

Nhóm nghiên cứu không dừng lại ở việc mô tả cơ chế. Họ đồng thời triển khai hai hướng song song: phát triển công cụ di truyền để thúc đẩy vi khuẩn tạo ra phân tử chuỗi dài hơn nữa, và thiết kế các hệ thống công nghiệp để mở rộng quy mô sản xuất từ phòng thí nghiệm lên quy mô thương mại. Một số thành viên trong nhóm đã thành lập công ty khởi nghiệp SymBL Innovations để thương mại hóa công nghệ này, cho thấy mức độ tự tin của nhóm vào khả năng ứng dụng thực tế.

Nguồn nguyên liệu đầu vào được thử nghiệm bao gồm rác thực phẩm thu gom qua chương trình Thùng rác xanh của thành phố Toronto và phụ phẩm từ quá trình chế biến sữa, hai nguồn thải hữu cơ có khối lượng lớn, ổn định và hiện đang tiêu tốn chi phí xử lý thay vì tạo ra giá trị.

Nếu SymBL Innovations hoặc các công ty trong lĩnh vực tương tự đạt được quy mô sản xuất thương mại trong vòng năm năm tới, chuỗi cung ứng của các nhãn hàng mỹ phẩm và chất tẩy rửa lớn sẽ có lựa chọn thay thế dầu cọ đầu tiên có thể truy xuất nguồn gốc hoàn toàn và không gắn với phá rừng, một lợi thế thương mại ngày càng quan trọng khi các quy định về chuỗi cung ứng bền vững tại EU và Mỹ tiếp tục thắt chặt.

Ý nghĩa với Việt Nam

Việt Nam hiện là một trong những nước nhập khẩu dầu cọ lớn tại Đông Nam Á phục vụ ngành thực phẩm và hóa chất. Đồng thời, Việt Nam có khối lượng rác thải hữu cơ đô thị lớn và ngành chế biến nông sản tạo ra lượng phụ phẩm đáng kể từ chế biến sữa, cà phê và hải sản, đây chính xác là loại nguyên liệu đầu vào mà công nghệ lên men CEB của nhóm Toronto có thể sử dụng.

Theo tìm hiểu, hiện chưa có thông tin về việc các viện nghiên cứu hoặc doanh nghiệp Việt Nam đang theo đuổi hướng nghiên cứu tương tự tại thời điểm bài viết. Tuy nhiên, đây là vùng giao thoa giữa kinh tế tuần hoàn, công nghệ sinh học và chính sách giảm phụ thuộc nguyên liệu nhập khẩu mà các đơn vị nghiên cứu trong nước có thể khai thác sớm nếu tiếp cận được phương pháp từ nghiên cứu này.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng