VINACHEM

Nghiên cứu hóa học với sự hỗ trợ của máy tính

Từ nhiều năm nay, máy vi tính đã hỗ trợ cho những phát minh, phát hiện trong khoa học. Nhưng năm 2017 một số phát triển trong lĩnh vực máy học và máy tính lượng tử đã nâng cao đáng kể khả năng của máy vi tính.

Trong khi các nhà nghiên cứu khai thác những tiến bộ khoa học để giải quyết một số vấn đề mới trong khoa học cơ bản, các công ty hóa chất như BASF và Dow Chemical đã thành lập liên minh với các công ty máy tính hàng đầu như IBM và Hewlett Packard với mục đích tận dụng những tiến bộ đó cho các ứng dụng thương mại.

Học máy là thuật toán tạo điều kiện cho máy tính vượt ra ngoài các lệnh lập trình cứng nhắc và “tự học hỏi” từ những quyết định, đưa ra dự báo trên cơ sở những lượng dữ liệu lớn. Các chương trình nhận biết tiếng nói và khuôn mặt, sàng lọc thư email rác và dự báo thời tiết đang sử dụng những thuật toán như vậy.

Trong lĩnh vực hóa học, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Washington (Mỹ) đã sử dụng kỹ thuật học máy để xác định thể cấu tạo của 600 nhóm protein mà cấu trúc hiện chưa được biết. Một nhóm nghiên cứu quốc tế khác đã áp dụng phương pháp tương tự để tạo cho máy tính khả năng dự báo mùi của một hợp chất dựa trên cấu trúc phân tử của nó. Tiến bộ này mở rộng hiểu biết của chúng ta về khứu giác, trong tương lai nó có thể mang lại nhiều lợi ích cho ngành sản xuất nước hoa. Các chiến lược học máy cũng đạt tiến bộ trong việc tính toán cấu trúc điện tử của phân tử theo cách bỏ qua những khía cạnh tính toán phức tạp nhất của lý thuyết hàm mật độ.

Trong khi một số nhà nghiên cứu theo đuổi khả năng dự báo hóa học của các máy tính truyền thống, các nhà khoa học tại IBM, Microsoft và Google lại hướng đến máy tính lượng tử. Khác với những cỗ máy thông thường với bóng bán dẫn và bộ nhớ để xử lý các con số 1 và 0 tương tự các hàm sóng điện tử, máy tính lượng tử sử dụng các phần tử từ tính hoặc các dạng khác của các hệ thống lượng tử hai trạng thái (qubits) để trình bày các hàm sóng như năng lượng và trạng thái của điện tử.

Tổng hợp điện hóa học

Khi nói đến điện hóa học, người ta thường nghĩ đến ắc quy và pin quang điện hoặc các quá trình công nghiệp như mạ điện, nhưng ít người nghĩ đến tổng hợp hóa học hữu cơ.

Tuy tổng hợp điện hóa học đã được thiết lập ổn định từ lâu, nhưng các nhà hóa học thường lưỡng lự khi áp dụng phương pháp này trong các phản ứng hữu cơ thông thường, ví dụ hoạt hóa C-H hoặc liên kết ngang aren, vì họ cho rằng cách làm đó quá nặng nề hoặc chi phí quá tốn kém. Nhưng trào lưu áp dụng công nghệ tổng hợp điện hóa học đã có xu hướng đi lên từ năm 2015 và trong năm 2017 đã nổi lên hoàn toàn.

Khi được sử dụng như tác nhân phản ứng thay thế, dòng điện mở ra những khả năng mới, cho phép tránh sử dụng các tác nhân độc hại hoặc nguy hiểm và các chất xúc tác thường phải sử dụng trong tổng hợp hữu cơ. Hơn nữa, tổng hợp điện hóa học có thể giúp giảm hoặc loại bỏ nhu cầu gia nhiệt, làm lạnh, nhờ đó giảm tiêu thụ năng lượng. Những ưu điểm này rất phù hợp với tổng hợp hữu cơ, khi các nhà hóa học ngày nay phải đứng trước những thách thức của việc tạo ra những phân tử ngày càng phức tạp nhưng đồng thời phải thực hiện theo những phương pháp bền vững hơn, an toàn hơn và có hiệu quả chi phí cao hơn so với trước đây.

Ví dụ, các nhà hóa học tại Đại học Tổng hợp Johannes Guttenberg (Mainz, Đức) đã hợp tác với Công ty Evonik Industries tạo ra giao thức điện hóa một công đoạn cho các phản ứng liên kết ngang để sản xuất biaryl diol và diamin - những hợp chất trung gian quan trọng. Theo các nhà hóa học, tổng hợp điện hóa học là một công nghệ đổi mới có tính cách mạng và sẽ làm thay đổi công nghiệp hóa chất.

Enzym thúc đẩy hóa học đổi mới

Enzym đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu hóa học và sản xuất hóa chất cũng như chế biến thực phẩm. Trong năm qua, đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến enzym được công bố, trong số đó có những phát hiện với ý nghĩa tiên phong. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã tìm ra những enzym mới có khả năng xúc tác các quá trình tổng hợp quan trọng trong công nghiệp sinh học, đồng thời đã phát triển tiếp những enzym đã biết để thực hiện các phản ứng hữu cơ khó.

Theo một chuyên gia trong ngành, chúng ta đang bước vào kỷ nguyên mới trong lĩnh vực phát hiện enzym. Việc phát triển tiếp những dạng phân tử mà chúng ta có thể tiếp cận bằng cách sử dụng phương pháp xúc tác sinh học và sinh học tổng hợp đòi hỏi phải tìm ra những enzym có khả năng thực hiện những quá trình chuyển đổi hóa học mới. Các nhà hóa học có thể tìm ra những enzym hoàn toàn mới hoặc biến đổi những enzym đã có để tạo ra enzym có những tính chất mới.

Một nhóm nghiên cứu tại ủy ban Năng lượng nguyên tử và năng lượng thay thế Pháp đã phát hiện một loại vi tảo có chứa những enzym khác thường, những enzym này có thể sử dụng ánh sáng để khử nhóm carboxyl và chuyển hóa axit béo thành alkan hoặc alken. Đây là loại vi tảo có thể tổng hợp hydrocacbon nhưng không có gen để tạo ra enzym thông thường, cần thiết cho quá trình đó. Sau khi tinh chế vi tảo, các nhà nghiên cứu đã xác định được một loại enzym quang với hoạt tính khác thường, có thể chuyển hóa axit béo thành alkan hoặc alken có 14 đến 18 cacbon. enzym mới có thể được sử dụng để sản xuất hydrocacbon từ nguyên liệu sinh học.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại ĐHTH Harvard (Mỹ) đã xác định những enzym mà khuẩn tảo lục sử dụng để tổng hợp hợp chất thơm tự nhiên cylindrocyclophan. Họ đang tìm cách xác định cấu trúc của những enzym này và hy vọng sẽ biến đổi enzym để sử dụng cho nhiều chất nền khác nhau.

Ứng dụng hóa học dòng chảy trong sản xuất dược phẩm

Những năm gần đây, phương pháp hóa học dòng chảy đã thường xuyên hỗ trợ các nhà khoa học đạt được những tiến bộ mới trong nghiên cứu hóa học. Năm 2017, phương pháp tổng hợp hóa học này đã xâm nhập mạnh mẽ vào lĩnh vực dược phẩm. Một trong những cột mốc quan trọng là việc các nhà hóa học tại Công ty dược phẩm Eli Lilly áp dụng công nghệ dòng chảy liên tục như phương pháp an toàn hơn, nhanh hơn và với chi phí thấp hơn để sản xuất tiền chất prexasertib cho thuốc điều trị ung thư phổi.

Các nhà nghiên cứu tại Eli Lilly đã thiết lập quy trình 8 bước liên tục để sản xuất prexasertib, họ cũng liên kết các giai đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất liên tục với hệ thống kiểm tra chất lượng GMP. Quy trình sản xuất trên sử dụng hydrazin, đây là một thành phần của nhiên liệu tên lửa và rất nguy hiểm nên không thể áp dụng phương pháp sản xuất theo mẻ. Một nhà nghiên cứu trong nhóm cho biết, việc sản xuất prexasertib theo mẻ sẽ đòi hỏi công đoạn làm sạch rất tốn kém, vì hợp chất này có hoạt tính rất cao và có thể gây hại tế bào nên bất cứ lượng dư thừa nhỏ nào cũng có thể gây nhiễm độc các phản ứng tiếp theo.

Thành công của quy trình dòng chảy khi sản xuất prexasertib như trên đã khuyến khích Công ty Eli Lilly xây dựng một cơ sở sản xuất theo công nghệ này tại Kinsale, Ailen.

Hóa học dòng chảy cũng trở nên phổ biến ở các nơi khác. Công ty chuyên về hóa học dòng chảy Snapdragon đã liên kết với Công ty dược phẩm Pfizer điều chế tác nhân phản ứng có hoạt tính cao là allenyllithium để sản xuất các hợp chất trung gian quan trọng cho dược phẩm. Công ty Snapdragon cũng hợp tác với Công ty cung ứng hóa chất dược phẩm Johnson Matthey để áp dụng hóa học dòng chảy trong sản xuất dược phẩm.

Những cỗ máy phân tử nhỏ với tiềm năng lớn

Từ thập niên 1980, các nhà hóa học đã nghiên cứu chế tạo những cỗ máy phân tử. Đây là những phân tử riêng biệt trông giống như và hoạt động như động cơ, rôto hoặc thậm chí cả như những chiếc xe tí hon. Sau khi những cỗ máy phân tử đầu tiên giành được Giải Nobel Hóa học năm 2016, lĩnh vực nghiên cứu này đã phát triển mạnh mẽ trong năm 2017 với những sáng chế như xe đua nano, mũi khoan nano phá vỡ tế bào, robot phân tử,…

Tháng 4/2017, 6 nhóm nghiên cứu quốc tế đã tham gia vào một cuộc thi xe đua nano đầu tiên trên thế giới. Giải thưởng cao nhất được trao cho nhóm các nhà khoa học tại ĐHTH Rice (Mỹ) và ĐHTH Graz (áo) với chiếc xe đua nano gồm có trục phân tử ma sát thấp, trục bánh xe alkynyl, khung aryl và các chức năng lưỡng cực ở phía trước và phía sau xe.

Trong khi đó, các nhà khoa học anh đã phát triển một máy khoan nano siêu nhỏ có khả năng khoan thủng các tế bào ung thư và tiêu diệt chúng chỉ trong 60 giây. Đây là những phân tử quay, được điều khiển bằng ánh sáng, khi được kích hoạt chúng quay nhanh đến mức có thể xuyên thủng màng tế bào. Trong một thử nghiệm tại Đại học Durham (Anh), các cỗ máy nano siêu nhỏ này chỉ mất 1-3 phút để xuyên qua màng ngoài của tế bào ung thư tiền liệt tuyến và tiêu diệt ngay lập tức những tế bào này.

“Động cơ” của chiếc máy khoan nano là một chuỗi các nguyên tử tương tự như rôto, có thể được kích hoạt để quay theo một hướng, khiến cho phân tử quay với tốc độ cao. Cỗ máy phân tử này có thể được sử dụng để đào một đường hầm dẫn tác nhân trị liệu vào tế bào hoặc như một loại vũ khí phá vỡ màng tế bào của khối u. Nếu không được kích hoạt, cỗ máy siêu nhỏ sẽ nằm yên trên màng tế bào mà không tác động đến bề mặt của chúng. Những cỗ máy nano như vậy nhỏ đến mức có thể gắn tới 50 nghìn máy trong đường kính của một sợi tóc người. Tuy nhiên, chúng có đầy đủ các thành phần vận hành để nhắm trúng mục tiêu.

Các nhà khoa học tại ĐHTH Manchester (Anh) đã chế tạo “robot phân tử” đầu tiên trên thế giới, có khả năng thực hiện các nhiệm vụ cơ bản, kể cả việc xây dựng các phân tử khác. Người máy phân tử này có kích thước khoảng 1 phần triệu mm, có thể được lập trình để di chuyển và xây dựng phân tử bằng một cánh tay robot nhỏ tí xíu. Mỗi robot như vậy chỉ gồm có 150 nguyên tử cacbon, hydro, oxy và nitơ, có thể thao tác với một phân tử. Nó vận hành bằng cách thực hiện các phản ứng hóa học trong dung dịch đặc biệt, trong khi đó nó có thể được kiểm soát và lập trình để thực hiện các nhiệm vụ cơ bản.

Thử nghiệm thành công lợi khuẩn ở quy mô lớn

Các nhà khoa học tiếp tục khám phá những phương thức mà vi khuẩn sống trong cơ thể chúng ta tương tác với và ảnh hưởng đến hệ sinh học của cơ thể.

Năm 2017, kết quả một thử nghiệm quy mô lớn ở 4500 trẻ sơ sinh tại các vùng nông thôn ấn Độ cho thấy lợi khuẩn kết hợp với prebiotic (chất dinh dưỡng hỗ trợ lợi khuẩn phát triển trong ruột) đã ngăn ngừa được nhiễm trùng máu với hậu quả chết người. Các nhà nghiên cứu cho rằng sự kết hợp giữa lợi khuẩn với prebiotic có thể là phương pháp không đắt tiền chống lại tình trạng tử vong trẻ sơ sinh cao ở các nước đang phát triển. Trong các thử nghiệm kéo dài nhiều năm, phương pháp này đã cho phép giảm 40% số trường hợp nhiễm khuẩn và tử vong. Kết quả thành công đến mức cuộc thử nghiệm đã được kết thúc sớm mà không cần hoàn thành cho đến giai đoạn cuối cùng.

Trước khi cuộc thử nghiệm bắt đầu, các nhà nghiên cứu đã sàng lọc hơn 200 dòng vi khuẩn nuôi cấy hoặc thu được trong các nghiên cứu ở thỏ để xác định những lợi khuẩn có thể bám lên ruột, ngăn không cho vi khuẩn có hại bám lên ruột để đi vào máu. Họ cũng đã tìm thấy các prebiotic có thể giúp lợi khuẩn phát triển tốt trong ruột.

Nghiên cứu trên cho thấy chúng ta có thể tìm ra những phương pháp biến đổi hệ vi sinh vật ruột và bằng cách đó cải thiện sức khỏe của mình.

Dụng cụ nhân tạo mô phỏng hệ sinh sản

Hệ sinh sản của người phụ nữ rất phức tạp với nhiều cơ quan, mô và hoocmôn hoạt động phối hợp nhịp nhàng. Hãy tưởng tượng việc sao chép hệ thống đó trong một dụng cụ nhân tạo. Đây chính là điều các nhà khoa học ĐHTH Northwestern (Illinois, Mỹ) đã thực hiện được trong năm qua.

Trước tiên, các nhà khoa học đã chế tạo một dụng cụ mô phỏng đặc điểm hoocmôn của chu kỳ kinh nguyệt 28 ngày. Dụng cụ có những khoang riêng biệt với mô nuôi cấy lấy từ buồng trứng của chuột và ống dẫn trứng, tử cung, cổ tử cung lấy từ những người phụ nữ đã trải qua phẫu thuật, cùng với gan được kết nối thông qua các kênh vi lỏng và máy bơm. Các nhà khoa học đã kích hoạt chu kỳ kinh nguyệt bằng cách bổ sung hoocmôn sinh sản. Đáp lại, khoang buồng trứng của dụng cụ đã tạo ra hoóc môn sinh dục estrogen. Vào ngày thứ 14, họ bổ sung hoocmôn hoàng thể hóa (có tác dụng kích thích rụng trứng). Đáp lại, khoang buồng trứng ngừng sản sinh estrogen và bắt đầu sản sinh hoóc môn sinh dục progesteron có vai trò duy trì thai kỳ. Các nhà nghiên cứu phải bổ sung hoocmôn từ bên ngoài vì chúng thường được sản xuất bằng tuyến yên không có trong hệ thống nhân tạo trên.

Các nhà nghiên cứu dự định sẽ phát triển tiếp dụng cụ nói trên bằng cách bổ sung các khoang với những kiểu mô khác nhằm mục đích khảo sát xem các hoocmôn ảnh hưởng đến các hệ thống khác trong cơ thể như thế nào. Hiện tại, họ đã tạo ra được cơ quan tế bào của tuyến tụy, có thể sản xuất insulin để tạo thành hệ thống trao đổi chất qua dụng cụ mới, họ đang thử nghiệm mô tinh hoàn và tuyến tiền liệt để nghiên cứu độc tính của những loại thuốc tạo ra testosteron ở nam giới.

Trong một công trình nghiên cứu khác, các nhà khoa học nói trên đã tạo ra buồng trứng nhân tạo cho chuột. Họ đưa nang trứng lên một khung gelatin có cấu trúc 3 D. Khi các nhà khoa học cấy những khung này lên chuột đã bị cắt bỏ buồng trứng, những con chuột đó đã có khả năng giao phối và mang thai một cách tự nhiên.

Tuy việc tạo ra buồng trứng giả có chứa nang trứng của người sẽ khó khăn hơn nhiều, nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ đạt được việc đó trong tương lai.

HS

Theo Chemical & Engineering News, 12/2017