Enzym tạo ra các chuỗi polime dài để hình thành nên nhựa cứng hoặc nhựa mềm tùy thuộc vào nguyên liệu sử dụng. Việc tìm hiểu thêm về cấu trúc enzym có thể giúp các kỹ sư kiểm soát thành phần và kích thước của polime, tiến tới sản xuất nhựa phân hủy sinh học thương mại khác với nhựa thường được sản xuất từ các sản phẩm dầu mỏ.

Cấu trúc khó nắm bắt

Enzym polyhydroxyalkanoate (PHA) synthase được tìm thấy trong hầu hết mọi loại vi khuẩn. Vi khuẩn sử dụng enzym này để sản sinh khối lượng lớn polime tích trữ cacbon khi thức ăn khan hiếm. Vi khuẩn Cupriavidus Necator có thể tích trữ đến 85% trọng lượng khô của nó.

Enzym sản sinh các loại polime khác nhau tùy thuộc vào nguyên liệu sử dụng, thường là một hoặc nhiều biến thể của phân tử có tên là hydroxyalkyl-coenzym A, trong đó, thuật ngữ alkyl dùng để chỉ một nhóm hóa chất xác định tính chất của polime. Một số vật liệu này tạo thành nhựa cứng, trong khi số khác lại tạo nên nhựa mềm và dẻo hơn hoặc có các tính chất đàn hồi tương tự như cao su.

PHA synthase được các nhà hóa học và kỹ sư hóa học đặc biệt quan tâm vì nó có thể kết hợp với 30.000 tiểu đơn vị hay monome một cách chính xác. Các nhà khoa học đã xem xét cấu trúc của enzym PHA synthase trong nhiều năm, nhưng đến nay vấn đề này vẫn rất nan giải do khó kết tinh protein. Quá trình kết tinh là một bước cần để thực hiện kết tinh bằng tia X, tiết lộ cấu trúc nguyên tử và phân tử của protein.

Marco Jost và Yifeng Wei, hai trong số các tác giả nghiên cứu, đã nghiên cứu thành công về sự kết tinh trong khuôn khổ một dự án phụ. Khi có các tinh thể, nhóm nghiên cứu đã thu thập và phân tích dữ liệu tinh thể tạo thành để xác định cấu trúc. Phân tích cho thấy PHA synthase gồm có hai tiểu đơn vị giống nhau tạo nên chất nhị trùng. Mỗi tiểu đơn vị có một vị trí kích hoạt, ở đó diễn ra hiện tượng polime hóa, loại bỏ giả thuyết trước đây cho rằng vị trí kích hoạt nằm ở giao diện của chất nhị trùng. Phân tích còn cho thấy enzym có hai lỗ, một lỗ cho nguyên liệu đầu vào và lỗ còn lại cho phép chuỗi polime tạo thành đi ra.

Vị trí của kênh đầu vào dễ xác định vì khe hở có đường viền là các axit amin được bảo tồn cao (đó là các axit amin vẫn ổn định khi enzym phát triển). Kênh đầu ra khó xác định hơn vì lỗ nhỏ, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn tìm thấy kênh đầu ra, một phần là vì nó được bao quanh bởi các axit amin bảo tồn. Nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ xử lý cấu trúc của enzym trong khi nó liên kết với chất nền và các sản phẩm để thu thập nhiều thông tin quan trọng nhằm mục đích tìm hiểu phương thức hoạt động của enzym.

Một số công ty công nghệ sinh học đã tìm cách sản xuất PHA từ PHA synthase và các enzym khác cần để tạo ra polime. Một công ty công nghệ sinh học hiện đang sử dụng PHA synthase để sản xuất polime dùng trong y tế. Dù quá trình này không đủ chi phí-hiệu quả để có thể cạnh tranh kinh tế với nhựa thông dụng giả rẻ có nguồn gốc từ dầu mỏ, nhưng công nghệ này đã cho phép tạo ra các thành phần PHA polime dùng làm chất phụ gia polime đặc biệt, cao su bọt và cho các ứng dụng y tế.

Thông tin mới về cấu trúc từ nghiên cứu này sẽ ít tác động đến chi phí, nhưng sẽ mở ra triển vọng cho các vật liệu và ứng dụng mới.