“Enzyme Cocktail” สูตรใหม่ สู่การพัฒนาน้ำตาลสำหรับหมักเพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ
คณะนักวิจัยของศูนย์วิจัยพลังงานและวัตถุแห่งบราซิล (CNPEM) ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับการตัดต่อพันธุกรรมให้เชื้อราผลิต Enzyme Cocktail ที่มีฤทธิ์ในการย่อยสลายคาร์โบไฮเดรตในกากชีวมวลต่างๆ เช่นซากอ้อย (ส่วนยอดและใบอ้อย) รวมถึงชานอ้อยให้กลายเป็นน้ำตาลสำหรับหมักซึ่งจะมีคุณสมบัติตามมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการนำไปแปรรูปเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ ทำให้การพัฒนาเอนไซม์ชนิดนี้ให้ต้นทุนไม่แพงถือเป็นหนึ่งในโจทย์ปัญหาสำคัญของการผลิตเอทานอลรุ่นที่สอง (Second-generation ethanol)
เชื้อเพลิงชีวภาพรุ่นที่สอง เป็นเชื้อเพลิงที่ผลิตมาจากชีวมวลหลายประเภทที่ไม่ใช่อาหาร เช่น ขยะเหลือทิ้งจากการทำเกษตรกรรม เศษไม้ และน้ำมันพืชที่ใช้แล้ว กระบวนการของคณะนักวิจัยถือเป็นแนวทางในการนำซากอ้อยมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพได้อย่างเหมาะสม เพราะในแต่ละปี อ้อยในประเทศบราซิลจำนวนราว 633 ล้านตันจะถูกนำไปแปรรูปหลังจากเก็บเกี่ยว และจะมีซากอ้อย (กากอ้อยแห้ง) จำนวน 70 ล้านตันที่กลายเป็นขยะไร้ประโยชน์แต่ในความเป็นจริงแล้วสามารถนำไปผลิตเป็นเชื้อเพลิงเอทานอลได้
เชื้อราไตรโคเดอร์มา รีสิอี ถือเป็นหนึ่งในเชื้อราที่ผลิตเอนไซม์ซึ่งมีคุณสมบัติย่อยสลายผนังเซลล์ของพืชได้มากที่สุด และเป็นเชื้อราที่มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีชีวภาพ คณะนักวิจัยได้คิดค้นวิธีการเพิ่มผลผลิต Enzyme Cocktail จากดังกล่าวด้วยการทดลองดัดแปลงพันธุกรรมเป็นจำนวน6 วิธีกับเชื้อ RUT-C30 ซึ่งเป็นสายพันธุ์ของเชื้อราไตรโคเดอร์มา รีสิอี ที่หาได้ง่ายโดยทั่วไป ทำให้คณะนักวิจัยได้ยื่นจดสิทธิบัตรของกระบวนการดัดแปลงพันธุกรรม และรายงานการวิจัยลงในบทความที่เผยแพร่ผ่านวารสารเทคโนโลยีชีวภาพสำหรับเชื้อเพลิงชีวภาพ
Mario T. Murakami ผู้อำนวยการแผนกวิทยาศาสตร์ประจำห้องปฏิบัติการสารชีวภาพหมุนเวียน ของศูนย์วิจัยพลังงานและวัตถุแห่งบราซิล ให้สัมภาษณ์ไว้กับหน่วยงาน Agência FAPESPว่า “เราได้ดัดแปลงพันธุกรรมของเชื้อราตามหลักวิชาการเพื่อเพิ่มผลผลิตเอนไซม์ออกมาให้ได้มากที่สุด โดยเอนไซม์ชนิดนี้ได้รับความสนใจอย่างมากในแวดวงเทคโนโลยีชีวภาพ การใช้วิธีดัดแปลงยีนแบบ CRISPR/Cas9 ทำให้เราสามารถตัดแต่งกระบวนการถอดรหัสพันธุกรรมเพื่อควบคุมลักษณะของยีนซึ่งสัมพันธ์กับเอนไซม์ และเป็นการกำจัดน้ำย่อยโปรตีนที่ไปขัดขวางการคงสภาพของเอนไซม์ อีกทั้งยังช่วยเพิ่มเอนไซม์สำคัญที่เชื้อราชนิดนี้ขาดไปได้อีกด้วย ทำให้เราสามารถควบคุมเชื้อราให้ผลิตเอนไซม์จากขยะทางเกษตรกรรมได้ในปริมาณมาก ซึ่งในบราซิลนั้นขยะเหล่านี้ถือว่ามีราคาถูกและมีอยู่ในจำนวนมหาศาล”
เอนไซม์ชนิดใหม่นี้จัดอยู่ในวงศ์ Glycoside Hydrolase (GH) โดยเอนไซม์เหล่านี้มีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลายด้านไม่ใช่แค่เพียงในอุตสาหกรรมเชื้อเพลิงชีวภาพ แต่ยังรวมถึงอุตสาหกรรมยารักษาโรค อาหารแปรรูป และสิ่งทออีกด้วย เอนไซม์นี้จะจุดประกายให้เกิดกระบวนการทางอุตสาหกรรมใหม่ๆ มากมายด้วยการใช้กระบวนการย่อยสลายพอลิแซ็กคาไรด์ (คาร์โบไฮเดรตที่ประกอบด้วยน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวมาเรียงต่อกันหลายโมเลกุล)
เอนไซม์เหล่านี้จะย่อยสลายเบต้ากลูแคนซึ่งเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่มีปริมาณมากที่สุดซึ่งพบในผนังเซลล์ของเมล็ดธัญพืช แบคทีเรีย และเชื้อรา และยังพบในชีวมวลที่มีจำนวนมหาศาลทั่วโลก คุณสมบัติสำคัญของเอนไซม์เหล่านี้คือความสามารถในการย่อยสลายสสารที่มีเส้นใยพืชอยู่ในปริมาณมาก
Murakami กล่าวว่าเอนไซม์ที่ใช้สำหรับการย่อยสลายชีวมวลทั้งหมดในบราซิลต้องนำเข้าจากผู้ผลิตต่างประเทศซึ่งจะไม่มีการเผยแพร่เทคโนโลยีที่ใช้เพื่อป้องกันความลับทางธุรกิจ หากพิจารณาจะพบว่าเอนไซม์รวมที่นำเข้าเหล่านี้มีมูลค่าคิดเป็น 50% ของต้นทุนการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพเลยทีเดียว ดังที่เขาให้สัมภาษณ์ไว้
“หากใช้กระบวนการแบบเดิมๆ ก็จะต้องมีการค้นคว้าวิจัยเป็นเวลาหลายสิบปีจึงจะสามารถพัฒนาวิธีการผลิตเอนไซม์รวมที่มีประสิทธิภาพในการแข่งขันได้ นอกจากนี้การผลิต Enzyme Cocktail จะไม่สามารถสำเร็จได้จากการนำเชื้อราตามท้องตลาดมาผ่านขั้นตอนการสังเคราะห์ทางชีวภาพเพียงอย่างเดียว เพราะว่าผู้ผลิตแต่ละรายล้วนใช้วิธีการที่แตกต่างกันไปในการพัฒนาเชื้อราเหล่านี้ ไม่ว่าจะเป็นการกระตุ้นกระบวนการวิวัฒนาการเพื่อปรับตัว การแพร่สารเคมีเข้าไปในเชื้อรา และการสร้างการกลายพันธุ์ในระดับยีนเพื่อคัดเลือกลักษณะทางพันธุกรรมที่โดดเด่นที่สุดออกมา
แต่ในปัจจุบันเรามีเครื่องมือตัดแต่งยีนที่ล้ำสมัยอย่าง CRISPR/Cas9 ทำให้เราสามารถพัฒนาวิธีการผลิตที่มีประสิทธิภาพโดยใช้กระบวนการดัดแปลงตามหลักวิชาการในระยะเวลาเพียงสองปีครึ่ง”กระบวนการทางชีวภาพที่ได้รับการพัฒนาโดยคณะนักวิจัยสามารถผลิตเอนไซม์ได้ในปริมาณ80 กรัมต่อลิตร ซึ่งถือว่าเป็นเอนไซม์ที่มีความเข้มข้นมากที่สุดในเชื้อราสายพันธุ์ไตรโคเดอร์มา รีสิอี ที่ได้จากวัตถุดิบราคาถูกซึ่งมีน้ำตาลเป็นสารประกอบ ปริมาณความเข้มข้นของเอนไซม์ดังกล่าวมีปริมาณมากเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับในรายงานวิทยาศาสตร์ด้านเชื้อรา (ซึ่งมีความเข้มข้นอยู่ที่ 37 กรัมต่อลิตร)
Murakami กล่าวเสริมว่า “ความน่าสนใจของงานวิจัยนี้คือเราไม่ได้แค่ทำการทดลองอยู่เฉพาะในห้องปฏิบัติการ แต่เรานำกระบวนการทางชีวภาพนี้ไปทดสอบในขั้นตอนการผลิตทางอุตสาหกรรมจริง และได้ผลิตตัวอย่างจำนวนมากสำหรับการนำร่องทดสอบในโรงงานแห่งหนึ่งเพื่อประเมินผลสำหรับการนำไปใช้ในเชิงธุรกิจแม้ว่าวิธีการผลิต Enzyme Cocktail นี้จะได้รับการออกแบบมาสำหรับใช้ผลิตเอทานอลจากจากเซลลูโลสด้วยซากอ้อย แต่ก็สามารถนำไปใช้ย่อยสลายชีวมวลประเภทอื่นๆ ได้ด้วย นอกจากนี้น้ำตาลสูตรใหม่ที่ได้จากเอนไซม์ยังสามารถนำไปใช้ผลิตสารชีวภาพหมุนเวียนชนิดอื่นๆ ได้เช่นพลาสติกและสารเคมีตัวกลางได้”
เอนไซม์ชนิดใหม่นี้จัดว่าอยู่ในวงศ์ Glycoside Hydrolase (GH) ซึ่ง Murakami กล่าวว่า เอนไซม์เหล่านี้มีศักยภาพสูงในการนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลายด้านไม่ใช่แค่เพียงในอุตสาหกรรมเชื้อเพลิงชีวภาพ แต่ยังรวมถึงอุตสาหกรรมยารักษาโรค อาหารแปรรูป และสิ่งทออีกด้วย ซึ่งจะจุดประกายให้เกิดกระบวนการทางอุตสาหกรรมใหม่ๆ มากมายด้วยการใช้กระบวนการย่อยสลายพอลิแซ็กคาไรด์ (คาร์โบไฮเดรตที่ประกอบด้วยน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยวมาเรียงต่อกันหลายโมเลกุล)
เอนไซม์เหล่านี้จะย่อยสลายเบต้ากลูแคนซึ่งเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่มีปริมาณมากที่สุดซึ่งพบในผนังเซลล์ของเมล็ดธัญพืช แบคทีเรีย และเชื้อรา และยังพบในชีวมวลที่มีจำนวนมหาศาลทั่วโลก คุณสมบัติสำคัญของเอนไซม์เหล่านี้คือความสามารถในการย่อยสลายสสารที่มีเส้นใยพืชอยู่ในปริมาณมาก
