Kỹ Thuật Tạo Ra Sắc Tố Đổi Màu Của Bạch Tuộc Bằng Vi Khuẩn Ở Quy Mô Công Nghiệp

Khả năng thay đổi màu sắc của bạch tuộc, một đặc điểm sinh học nổi bật, đã thu hút sự quan tâm của giới khoa học trong nhiều thập kỷ, chủ yếu nhờ sắc tố tự nhiên gọi là xanthommatin. Việc tái tạo hiệu ứng ngụy trang này bên ngoài cơ thể động vật trước đây là một thách thức lớn đối với các nhà hóa học do cấu trúc hóa học phức tạp của sắc tố. Những nỗ lực tổng hợp xanthommatin trong phòng thí nghiệm trước đây thường bị hạn chế bởi tốc độ chậm, chi phí cao và kết quả tối thiểu.

Tuy nhiên, vào tháng 11 năm 2025, một nhóm nghiên cứu tại Đại học California San Diego (UC San Diego) đã công bố một kỹ thuật sinh học đột phá, thay đổi căn bản phương thức sản xuất các hợp chất tự nhiên này. Thành tựu này chứng minh khả năng của công nghệ sinh học trong việc mô phỏng hiệu quả các quy trình chỉ tồn tại trong thế giới động vật. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một chủng vi khuẩn Pseudomonas putida đã được biến đổi gen, một loại vi khuẩn đất phổ biến trong công nghệ sinh học.

Sự đổi mới cốt lõi nằm ở việc thiết kế một hệ thống thông minh, trong đó vi khuẩn chỉ có thể tồn tại bằng cách tạo ra xanthommatin, thay vì cưỡng bức sản xuất như các phương pháp trước đây. Các nhà khoa học đã tạo ra một vòng lặp trao đổi chất, nơi quá trình sản xuất sắc tố đồng thời giải phóng formate, một chất hỗ trợ sự phát triển của vi khuẩn. Thiết kế này, được gọi là "sinh tổng hợp kết hợp với tăng trưởng" (biosynthesis coupled to growth), thiết lập mối liên kết trực tiếp giữa sự tăng trưởng tế bào và quá trình sản xuất sắc tố. Cụ thể, vi khuẩn Pseudomonas putida được biến đổi thành thể tự dưỡng 5,10-methylenetetrahydrofolate (PUMA), khiến chúng phụ thuộc vào formate để sinh trưởng; formate được giải phóng trong quá trình tổng hợp xanthommatin giúp khắc phục sự thiếu hụt C1, qua đó thúc đẩy cả sinh khối và quá trình sinh tổng hợp sắc tố.

Quy trình mới này đã tăng mức sản xuất lên gấp một nghìn lần so với các phương pháp trước đây, cho phép các nhà nghiên cứu đạt được sản lượng ở quy mô gram, bắt đầu từ các loại đường đơn giản như glucose. Sự tiến bộ này mở ra khả năng sản xuất các sắc tố tự nhiên ở quy mô lớn mà không cần sử dụng các quy trình hóa học gây ô nhiễm, cung cấp một giải pháp bền vững cho các vấn đề công nghiệp phức tạp. Ngoài giá trị khoa học, công nghệ này có thể được áp dụng cho vật liệu phản ứng với ánh sáng hoặc nhiệt, lớp phủ thông minh, kem chống nắng tự nhiên hoặc thuốc nhuộm sinh thái.

Xanthommatin, một ommochrome đổi màu, cũng có mặt trong các loài côn trùng như bướm vua, cung cấp tông màu cam đến đỏ rực rỡ. Việc chiết xuất trực tiếp từ động vật chưa bao giờ khả thi do những khó khăn về kỹ thuật và các mối quan tâm về đạo đức. Các nhà khoa học tại UC San Diego, bao gồm Adam Feist, đã tối ưu hóa quy trình này thông qua việc sử dụng robot và tin sinh học, cho phép vi khuẩn tự cải thiện hiệu suất thông qua quá trình tiến hóa phòng thí nghiệm thích ứng. Sự phát triển này đánh dấu một bước ngoặt trong kỹ thuật chuyển hóa, chuyển từ một sự tò mò trong phòng thí nghiệm sang ứng dụng công nghiệp có khả năng mở rộng, khẳng định rằng các sinh vật được thiết kế có thể trở thành các nhà máy bền vững cho nhiều loại hóa chất có giá trị cao.