Giáo sư Cai Tao giới thiệu một mẫu tinh bột tổng hợp trong phòng thí nghiệm. (Ảnh: Tân Hoa Xã)

Nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ Sinh học Công nghiệp Thiên Tân (TIB), trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), là đơn vị đầu tiên công bố phương pháp tổng hợp tinh bột trực tiếp từ CO₂ bằng hệ enzyme nhân tạo vào năm 2021. Khi đó, kết quả đăng trên Science cho thấy tốc độ tạo tinh bột trong phòng thí nghiệm nhanh gấp 8,5 lần so với quá trình quang hợp tự nhiên ở cây ngô.

Sau gần 5 năm tiếp tục hoàn thiện, nhóm nghiên cứu đang tiến thêm một bước quan trọng trên con đường thương mại hóa. Theo China Science Daily, những cải tiến gần đây đã giúp sản lượng tinh bột tăng gấp 10 lần so với mức đạt được ở giai đoạn công bố ban đầu, đồng thời từng bước hạ chi phí vận hành hệ thống.

Giáo sư Cai Tao, người phụ trách dự án tại TIB, thừa nhận chặng đường từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng công nghiệp không hề bằng phẳng. “Đi từ con số không đến một đã khó, giảm chi phí còn khó hơn, và sản xuất ở quy mô công nghiệp là thách thức lớn nhất. Nhưng đó là điều buộc phải vượt qua”, ông nói.

Tinh bột hiện là nguyên liệu quan trọng trong nhiều ngành, từ thực phẩm, dệt may đến chất kết dính và dược phẩm. Nguồn cung chủ yếu đến từ ngô nhờ năng suất cao và giá thành thấp, song canh tác quy mô lớn lại tiêu tốn nhiều nước, phân bón và đất đai, tạo áp lực đáng kể lên môi trường.

Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp mới chỉ cần vài giờ để tạo ra tinh bột trong điều kiện phòng thí nghiệm, trong khi tự nhiên phải mất hàng tháng. Về mặt lý thuyết, một bể phản ứng sinh học dung tích 1 m³ có thể cho lượng tinh bột tương đương sản lượng hàng năm của hơn 3.300 m² trồng ngô, chưa tính đến yếu tố năng lượng đầu vào.

Về nguyên lý, công nghệ này mô phỏng nhưng không phụ thuộc vào quang hợp tự nhiên. Thay vì sử dụng ánh sáng mặt trời, hệ thống dùng chất xúc tác để chuyển CO₂ thành methanol, sau đó một chuỗi enzyme nhân tạo tiếp tục biến methanol thành các đơn vị đường và cuối cùng là tinh bột có cấu trúc giống hệt tinh bột tự nhiên.

Một nghiên cứu khác của nhóm, công bố trên Science Bulletin tháng 5/2025, cho thấy một số nền tảng sinh tổng hợp tinh bột nhân tạo đạt hiệu suất năng lượng cao hơn 3,5 lần và tốc độ tổng hợp nhanh hơn tới 23 lần so với hệ thống thực vật.

Nông dân thu hoạch ngô để sản xuất tinh bột ở Trung Quốc. (Ảnh: SCMP)

Để thúc đẩy ứng dụng thực tiễn, TIB đã thành lập Trung tâm nghiên cứu tinh bột nhân tạo từ năm 2022. Bài toán then chốt hiện nay là đưa chi phí sản xuất về mức tương đương tinh bột nông nghiệp, trong đó việc tối ưu hơn 10 loại enzyme đóng vai trò quyết định. Một enzyme quan trọng, chiếm khoảng một nửa tổng lượng enzyme trong hệ phản ứng, từng được xem là “rất khó cải tiến”. Theo giáo sư Cai, hoạt tính của enzyme này hiện đã được nâng lên đáng kể so với năm 2021, giúp giảm lượng enzyme cần dùng và hạ giá thành.

Song song với đó, nhóm nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo để sàng lọc các biến thể enzyme tối ưu, tăng độ ổn định, rút ngắn thời gian nghiên cứu và cho phép tái sử dụng enzyme trong nhiều chu kỳ.

Giám đốc sáng lập TIB, ông Ma Yanhe, nhấn mạnh mục tiêu cuối cùng của dự án là công nghiệp hóa. “Ngay từ đầu đã rất khó khăn, nhưng chúng tôi không có lý do để dừng lại giữa chừng”, ông nói.

Cũng trong nghiên cứu công bố tháng 5/2025, nhóm giới thiệu thêm phương pháp chuyển methanol thành đường tinh luyện, mở ra khả năng thay thế việc trồng mía hoặc củ cải đường. Trên quy mô rộng hơn, CAS đã khởi động sáng kiến “cố định và chuyển hóa carbon dioxide” nhằm nghiên cứu các cơ chế cố định carbon và phát triển hệ thống nhân tạo. Tháng 10 năm ngoái, một hội thảo do TIB tổ chức trong khuôn khổ sáng kiến này đã khởi động chương trình khoa học quốc tế cùng quỹ nghiên cứu toàn cầu về chuyển hóa CO₂, đặt nền móng cho hợp tác dài hạn trong lĩnh vực đầy tiềm năng này.