Nghiên cứu mới đã được công bố vào tháng 10 trên tạp chí Molecular BioSystems là một phần của sự nỗ lực toàn cầu để tạo ra nhiên liệu từ nguồn nguyên liệu thực vật phong phú.

Ngày nay, chúng ta có thể tạo ra được nhiên liệu từ thực vật, nhưng quá trình này rất tốn kém, mất nhiều thời gian. Những phát hiện của các nhà hóa học tại Phòng thí nghiệm Năng lượng quốc gia tại Tây Bắc - Thái Bình Dương đã mở ra tiềm năng cho các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm có thể rút ngắn thời gian nghiên cứu xuống vài ngày thay vì phải mất vài tháng, và đồng thời các nhà khoa học sẽ có thể đánh giá nhiều sự lựa chọn hơn trong việc phát triển nhiên liệu sinh học hiện nay.

Nhiều nỗ lực của các nhà khoa học hiện nay xoay quanh loài nấm Trichoderma reesei, loài nấm này được đưa vào quân đội Mỹ trong chiến tranh thế giới thứ II ở trận chiến Thái Bình Dương. Bảy mươi năm sau, T. reesei được biết phổ biến rộng rải trên thế giới với vai trò là nguồn nhiên liệu sinh học vì nó có khả năng tạo ra những enzyme phân giải thông qua các phân tử như đường phức hợp.

Sự phân hủy các hợp chất cao phân tử đường có kích thước lớn thành các hợp chất nhỏ hơn và sau đó có thể được chuyển đổi tiếp thành các hợp chất nhiên liệu cuối cùng, bước quan trọng trong quá trình này là sản xuất nhiên liệu từ các vật liệu như cỏ và thân cây ngô. Các loài thực vật này và nhiều loài  khác chứa rất nhiều năng lượng được lưu trữ trong các liên kết carbon, và chúng có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu nếu như các nhà khoa học có thể tìm cách để giải phóng các hợp chất lưu trữ năng lượng từ các vật liệu có cấu trúc bền vững này, một trong các hợp chất đó được gọi là lignocellulose.

Lignocellulose là hợp chất chứa năng lượng và chúng hiện diện rất nhiều trong thân cây ngô hoặc cỏ.

Nhà hóa học Aaron Wright cũng là trưởng nhóm nghiên cứu cho biết mục tiêu cơ bản là khởi đầu với một nguyên liệu thực vật như thân cây ngô và vấn đề là chúng ta tìm ra một hỗn hợp các enzym có khả năng chuyển đổi nguồn nguyên liệu thực vật này. Để làm được điều này phải thực hiện qua nhiều bước, và chi phí sản xuất nhiên liệu này phải giảm để có khả năng cạnh tranh với các nhiên liệu hydrocarbon truyền thống.

T. reesei có thể phân giải nguồn vật liệu một cách tự nhiên, quá trình phân cắt thông qua các phản ứng hóa học giống như một người dùng kéo cắt giảm một dải ruy băng quấn chặt xung quanh một món quà, để mở xem quà bên trong hộp. Các loại nấm này trên thực tế có thể tạo ra hàng chục loại enzyme phân cắt, trong đó mỗi loại enzyme thì phân hủy mỗi loại vật liệu khác nhau. Các nhà hóa học đang cố gắng kết hợp và cải thiện tốt các loại enzyme này để tạo ra một hỗn hợp hóa học tiềm năng, một sự kết hợp của các loại enzyme mà chúng có khả năng phân hủy với hiệu quả cao nhất nhằm làm giảm chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học.

Nghiên cứu của Wright tập trung tìm tập hợp các loài nấm có khả năng tạo ra các loại enzyme như là công cụ phân cắt nguyên liệu, một trong số đó được gọi là enzyme hydrolases glycoside. Nhiệm vụ của enzyme này là phá vỡ loại đường phức hợp thành các loại đường đơn giản, đây là một bước quan trọng trong quá trình sản xuất nhiên liệu.

Để đánh giá hiệu quả của hỗn hợp các enzyme này, các nhà khoa học phải đo lường hiệu suất tổng thể của hỗn hợp, hoặc họ phải kiểm tra các enzym thành phần tại một thời gian để xem ở mỗi phản ứng xảy ra như thế nào với các điều kiện khác nhau như nhiệt độ, áp suất và độ pH.

Nhóm nghiên cứu của Wright đã xây dựng phương pháp đo lường hoạt động của mỗi thành phần enzyme cùng một lúc, cũng như hỗn hợp tổng thể. Thay vì phải thực hiện một loạt các thí nghiệm, mỗi thí nghiệm chỉ tập trung vào một enzyme riêng biệt, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một thử nghiệm và theo dõi một cách chính xác mỗi phản ứng của hàng chục enzyme với điều kiện phản ứng được thay đổi.

Các nhà khoa học cho biết một loạt các thí nghiệm mô phỏng chi tiết về hoạt động của 30 enzyme bây giờ có thể được thực hiện trong một hoặc hai ngày với công nghệ mới thay vì phải mất đến vài tháng nếu sử dụng phương pháp thông thường hiện nay.

Điểm quan trọng của công nghệ này là một mẩu dò hóa học mà nhóm đã tạo ra để theo dõi hoạt động của nhiều enzym cùng một lúc. Trung tâm của hệ thống là một mẩu dò hóa học liên kết với hydrolases glycoside và cho ra thông tin chỉ ra hoạt động mỗi enzyme này như thế nào trong từng thời gian.

Wright cho biết hầu như công việc chúng ta cần thực hiện là xác định chính xác hoạt động của các enzyme, điều này rất quan trọng để mang lại một quy trình sản xuất nhiên liệu kinh tế. Nhóm nghiên cứu của ông đang cố gắng kiểm soát các hoạt động chính xác của tất cả các enzyme cũng như cho từng enzyme trải qua một quá trình rất phức tạp, như điều kiện nhiệt độ và độ pH khác nhau nhằm đo lường hoạt động của các enzyme qua từng giai đoạn.

Wright cũng cho biết là họ có thể kiểm tra toàn bộ hỗn hợp, và có thể kiểm tra tách rời từ từ từng enzyme trong hỗn hợp, điều mà trước đây không thể làm tất cả cùng một lúc.