Ô nhiễm nhựa PET (polyethylene terephthalate) đặt ra thách thức môi trường nghiêm trọng do khả năng phân hủy sinh học hạn chế. Nghiên cứu này trình bày một chiến lược sinh học tổng hợp nhằm chuyển hóa carbon từ PET thành levodopa (L-DOPA), hoạt chất quan trọng trong điều trị bệnh Parkinson. Bằng cách thiết kế con đường sinh tổng hợp mới trong Escherichia coli, terephthalic acid (TPA) thu được từ depolymer hóa PET được chuyển hóa qua các chất trung gian protocatechuate (PCA) và catechol để tạo L-DOPA. Hệ vi sinh vật hai chủng được phát triển nhằm khắc phục hạn chế vận chuyển cơ chất và ức chế enzyme do tích lũy chất trung gian. Quy trình đạt hiệu suất tới 5,0 g/L L-DOPA và có khả năng sử dụng PET sau tiêu dùng làm nguyên liệu. Kết quả chứng minh tiềm năng của bio-upcycling trong việc chuyển đổi chất thải nhựa thành dược chất giá trị cao, góp phần phát triển nền kinh tế tuần hoàn carbon.

Chuyển hóa sinh học rác thải PET thành levodopa

(tiền chất điều trị bệnh Parkinson) bằng vi sinh vật biến đổi gen

Chuyển hóa sinh học rác thải PET thành levodopa

(tiền chất điều trị bệnh Parkinson) bằng vi sinh vật biến đổi gen

Tóm tắt (Abstract)

        Ô nhiễm nhựa PET (polyethylene terephthalate) đặt ra thách thức môi trường nghiêm trọng do khả năng phân hủy sinh học hạn chế. Nghiên cứu này trình bày một chiến lược sinh học tổng hợp nhằm chuyển hóa carbon từ PET thành levodopa (L-DOPA), hoạt chất quan trọng trong điều trị bệnh Parkinson. Bằng cách thiết kế con đường sinh tổng hợp mới trong Escherichia coli, terephthalic acid (TPA) thu được từ depolymer hóa PET được chuyển hóa qua các chất trung gian protocatechuate (PCA) và catechol để tạo L-DOPA. Hệ vi sinh vật hai chủng được phát triển nhằm khắc phục hạn chế vận chuyển cơ chất và ức chế enzyme do tích lũy chất trung gian. Quy trình đạt hiệu suất tới 5,0 g/L L-DOPA và có khả năng sử dụng PET sau tiêu dùng làm nguyên liệu. Kết quả chứng minh tiềm năng của bio-upcycling trong việc chuyển đổi chất thải nhựa thành dược chất giá trị cao, góp phần phát triển nền kinh tế tuần hoàn carbon.

1. Giới thiệu (Introduction)

        Poly(ethylene terephthalate) (PET) là một trong những polymer phổ biến nhất trong ngành bao bì và dệt may. Sản lượng lớn cùng khả năng phân hủy chậm khiến PET trở thành nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Các phương pháp xử lý truyền thống như đốt hoặc chôn lấp không tận dụng được nguồn carbon có giá trị trong polymer.

        Công nghệ sinh học tổng hợp mở ra khả năng chuyển hóa PET thành các hợp chất có giá trị cao thông qua con đường chuyển hóa sinh học. Levodopa (L-DOPA) là tiền chất của dopamine và được sử dụng rộng rãi trong điều trị bệnh Parkinson. Việc sản xuất L-DOPA từ nguồn carbon tái chế góp phần giảm phụ thuộc vào nguyên liệu hóa thạch và tăng tính bền vững của ngành dược phẩm. 

2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (Materials and Methods)

2.1. Phân giải PET (Depolymerization of PET)

        PET được thủy phân để tạo terephthalic acid (TPA) làm nguồn carbon cho quá trình sinh tổng hợp. Quá trình depolymer hóa có thể thực hiện bằng enzyme hoặc phương pháp hóa học nhằm đảm bảo tương thích với hệ vi sinh vật.

2.2. Thiết kế con đường chuyển hóa (Engineering metabolic pathway)

        Con đường sinh tổng hợp de novo được thiết kế trong Escherichia coli để chuyển hóa TPA thành L-DOPA thông qua các bước:

TPA → protocatechuate → catechol → L-DOPA   

 

 

 

 

 

 

 

Hình a. Con đường sinh tổng hợp de novo tạo L-DOPA từ monomer PET là terephthalate (TPA)

        Các gen mã hóa enzyme tpado, dcddh, AroY và tyrosine phenol-lyase được biểu hiện nhằm hình thành chuỗi phản ứng sinh hóa hoàn chỉnh.

2.3. Hệ vi sinh vật hai chủng (Two-strain microbial system)

        Để hạn chế sự tích lũy chất trung gian gây ức chế enzyme, pathway được chia thành hai chủng vi khuẩn:

• Chủng 1: chuyển hóa TPA thành catechol
• Chủng 2: chuyển catechol thành L-DOPA

        Chiến lược này giúp cải thiện hiệu suất chuyển hóa và ổn định hệ thống sinh học.

2.4. Tái chế carbon bằng vi tảo (Carbon recycling using microalgae)

        Vi tảo Chlamydomonas reinhardtii được sử dụng nhằm hấp thu CO₂ sinh ra trong quá trình khử carboxyl, góp phần giảm phát thải carbon và tăng tính bền vững của quy trình.

3. Kết quả (Results)

3.1. Hiệu suất chuyển hóa (Conversion efficiency)

        Hệ vi sinh vật hai chủng đạt hiệu suất tổng hợp L-DOPA lên tới 5,0 g/L trong điều kiện tối ưu. Việc bổ sung protein vận chuyển ngoại lai giúp cải thiện khả năng hấp thu TPA vào tế bào. 

Hình b. Hoạt tính chuyển hóa của tế bào toàn phần khi các plasmid pPCA1, pCAT1 và pFnTPL được biểu hiện riêng lẻ hoặc kết hợp trong E. coli BL21(DE3), bao gồm cả hệ con đường hoàn chỉnh pPCA1_pCAT-FnTPL

 

Hình (c). Tăng cường chuyển hóa TPA thành PCA (protocatechuate) ở các chủng E. coli_pPCA1 và E. coli_pPCA3 có biểu hiện gen vận chuyển tpaK từ R. jostii

Hình(d). Hiệu suất chuyển hóa PCA và catechol khi tăng nồng độ terephthalate trong các chủng E. coli_pPCA3 và E. coli_pPCA3_pCAT1

3.2. Khả năng sử dụng PET sau tiêu dùng (Utilization of post-consumer PET)

        Quy trình được chứng minh có khả năng sử dụng PET sau tiêu dùng như chai nhựa và vật liệu công nghiệp làm nguyên liệu đầu vào, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế.

3.3. Tính tuần hoàn carbon (Carbon circularity)

        Việc tích hợp vi tảo giúp tái cố định CO₂ sinh ra trong phản ứng, góp phần hướng tới quy trình trung hòa carbon.

4. Thảo luận (Discussion)

        Kết quả nghiên cứu chứng minh khả năng chuyển đổi polymer tổng hợp thành dược chất thông qua công nghệ sinh học tổng hợp. So với các phương pháp tái chế cơ học truyền thống, bio-upcycling tạo ra sản phẩm có giá trị cao hơn, góp phần tăng hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường.

        Tuy nhiên, việc mở rộng quy mô công nghiệp cần xem xét các yếu tố như:

• tối ưu hóa hiệu suất enzyme
• giảm chi phí depolymer hóa PET
• đánh giá vòng đời sản phẩm (LCA)
• đảm bảo tính ổn định của hệ vi sinh vật

         Những cải tiến này sẽ quyết định khả năng thương mại hóa công nghệ trong tương lai.

5. Kết luận (Conclusion)

        Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc chuyển hóa PET thành L-DOPA thông qua hệ vi sinh vật biến đổi gen. Phương pháp này góp phần phát triển công nghệ tái chế nhựa tiên tiến, giảm phát thải carbon và mở rộng ứng dụng của sinh học tổng hợp trong sản xuất dược phẩm bền vững.

Tài liệu tham khảo:

[1]. Royer, B., Era, Y., Valenzuela-Ortega, M., Thorpe, T. W., Trotter, C. L., Clouston, K., Steele, J. F. C., Zeballos, N., Shrimpton-Phoenix, E., Eiamthong, B., Uttamapinant, C., Wood, C. W., & Wallace, S. (2026). Microbial upcycling of plastic waste to levodopa. Nature Sustainability. https://doi.org/10.1038/s41893-026-01785-z

[2]. Groseclose, T. M., & Nguyen, H. B. (2025). Recent advances in enzyme engineering for improved deconstruction of poly(ethylene terephthalate) plastics. Communications Materials, 6, 190. https://doi.org/10.1038/s43246-025-00919-8 

[3]. Liu, F., Wang, T., Liu, X. H., Xu, N., & Pan, X. L. (2025). Efficient biodegradation and upcycling of polyethylene terephthalate mediated by cell factories. Frontiers in Microbiology, 16, 1599470. https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1599470 

[4]. Guo, Z., Wu, J., & Wang, J. (2025). Chemical degradation and recycling of polyethylene terephthalate: A review. RSC Sustainability, 3, 2111–2133. https://doi.org/10.1039/D4SU00658E