Arkeonn: Tạo nguồn protein bổ dưỡng bằng cổ khuẩn

Nhu cầu thực phẩm trên thế giới, đặc biệt ở các nước phát triển, sẽ tăng theo cấp số nhân trong những thập kỷ tới. Chỉ riêng châu Á, từ năm 1961 đến năm 2021, lượng protein tiêu thụ hằng ngày từ thịt và các sản phẩm có nguồn gốc động vật của mỗi người đã tăng hơn 600%.

Các phương pháp chăn nuôi truyền thống không thể đáp ứng đủ số lượng và chất lượng thực phẩm cho nhu cầu khổng lồ này. Thêm vào đó, hiện nay ngành chăn nuôi đang phải chịu trách nhiệm cho 14,5% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu. Cứ theo đà này, việc tăng cường sản xuất theo hướng truyền thống sẽ chỉ làm trầm trọng thêm cuộc khủng hoảng khí hậu. Bên cạnh đó, khi tiến hành khảo sát, các nhà khoa học dễ dàng tìm thấy vi khuẩn Salmonella, E.coli và tồn dư kháng sinh trong thịt, gây tác động tiêu cực đến sức khoẻ con người.

Điều này gợi mở cho các công ty khởi nghiệp công nghệ tìm kiếm những ý tưởng mới để tạo ra nguồn protein thay thế - với cách thức sản xuất bền vững và lành mạnh hơn. Các nhà khoa học về công nghệ thực phẩm, công nghệ nông nghiệp và công nghệ sinh học đang tích cực đề xuất các giải pháp tạo ra nguồn thực phẩm bổ dưỡng, ngon miệng mà không gây hậu quả tiêu cực đối với môi trường như thịt từ thực vật, hải sản từ phòng thí nghiệm.

Không nằm ngoài xu thế đó, Arkeon, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Vienna (Áo), đã phát triển cách thức mới lạ để tạo ra các loại protein bổ dưỡng không có carbon và chứa các thành phần chức năng được dán “nhãn sạch” (clean label - bao gồm các thành phần hoàn toàn hữu cơ và tự nhiên, không có các chất bảo quản nhân tạo, chất hóa học có hại cho sức khỏe con người). Tờ EU-Startups đã đưa startup này vào danh sách các công ty khởi nghiệp ở Áo giàu tiềm năng trong năm nay.

Được thành lập vào năm 2021, Arkeon tận dụng sức mạnh của các cổ khuẩn (archaea) để chuyển đổi trực tiếp CO2 thành các thành phần protein. Cổ khuẩn hay vi sinh vật cổ là một nhóm các vi sinh vật đơn bào nhân sơ. Chúng không có nhân tế bào hay bất cứ bào quan nào trong tế bào chất, có khả năng sống sót trong điều kiện khắc nghiệt. Chúng hiện được phân thành một vực (domain) riêng trong hệ thống ba vực - ba nhánh phát sinh chủng loại riêng biệt tiến hóa từ nguồn gốc chung, bao gồm Vi khuẩn (Bacteria), Cổ khuẩn và Sinh vật nhân chuẩn (Eukarya). Quy trình chuyển đổi của Arkeon là thành quả từ hơn một thập kỷ nghiên cứu của ba nhà đồng sáng lập: Tiến sĩ Simon Rittmann, tiến sĩ Guenther Bochmann và tiến sĩ Gregor Tegl.

“Tôi đã dành phần lớn thời gian trong 10 năm qua để khám phá các phương pháp công nghệ sinh học mới và bền vững nhằm sản xuất protein thay thế”, TS. Gregor Tegl, đồng sáng lập và là Giám đốc điều hành của Arkeon, chia sẻ. “Nhóm của chúng tôi đã khai thác các phương pháp về vi sinh và quá trình lên men khí để tạo ra một hệ thống sản xuất thực phẩm tái sinh hoàn toàn mới”.

Quy trình sinh học lên men một bước của công ty khởi nghiệp bao gồm việc thu giữ carbon dioxide và chuyển đổi nó thành 20 acid amin ​​- thành phần cấu tạo nên protein - cần thiết cho dinh dưỡng của con người. Các protein thay thế thu được là carbon âm tính, không áp dụng kỹ thuật di truyền và các thành phần chức năng có nhãn sạch.

Archaea, cổ khuẩn - chìa khóa đằng sau loại protein này, được coi là “một phần quan trọng của sự sống trên Trái đất”. Chúng sống trong những môi trường khắc nghiệt như suối nước nóng, hồ muối, và là một phần của hệ vi sinh vật của các tất cả sinh vật. Trong hệ vi sinh vật của con người, chúng được tìm thấy trong ruột, miệng và trên da.

Tất nhiên, họ không phải là startup đầu tiên có ý tưởng sản xuất protein thay thế bằng vi sinh vật trong phòng thí nghiệm, song TS. Tegl nhấn mạnh rằng Arkeon là nơi đầu tiên có thể sản xuất 20 acid amin trong một lần lên men, và quy trình của họ vô cùng độc đáo.

Quy trình này độc đáo ở chỗ, nếu các vi sinh vật khác sản xuất acid amin có xu hướng “giữ acid amin cho riêng mình” để tạo ra sinh khối, thì “cổ khuẩn của chúng tôi sản xuất acid amin và đẩy chúng ra bên ngoài tế bào, vì vậy chúng tôi có thể thu giữ được nguồn dinh dưỡng quý giá này”.

Một lợi thế khác của Arkeon đó là cổ khuẩn mà họ lựa chọn thích tiêu thụ carbon dioxide, điều này vô cùng tiện lợi vì CO2 có ở tất cả mọi nơi. “Giai đoạn đầu, chúng tôi cho cổ khuẩn lên men bằng cách ‘ăn’ CO2 thải ra từ hoạt động sản xuất trong nhà máy ethanol sinh học. Đó là nguồn CO2 tinh khiết vì nó sinh ra từ quy trình sản xuất thực phẩm”, Tegl giải thích, đồng thời cho biết thêm việc tận dụng CO2 theo cách này giúp lượng carbon thải ra trong quá trình sản xuất đạt mức âm.

Một nguồn nguyên liệu khác cần có là hydro từ điện và nước. “Chúng tôi có thể sử dụng máy điện phân, nhưng ngoài ra chúng tôi còn liên hệ với các nhà sản xuất hydro xanh để đảm bảo nguồn cung cấp bền vững và an toàn”.

Vị giám đốc điều hành đã ví quá trình lên men của cổ khuẩn như quá trình sản xuất bia, chỉ có điều nguồn carbon mà Arkeon đề xuất đến từ CO2 và nguồn năng lượng là hydro. Bản thân quá trình lên men diễn ra trong một lò phản ứng sinh học có sẵn, hoạt động ở áp suất khí quyển - điều mà theo Tegl là không khổ biến trong các quy trình lên men khí thông thường. “Áp suất trong bình càng cao thì khí phân rã càng tốt. Nhưng khi bạn có một loại vi sinh vật hấp thụ các khí đó hiệu quả như cổ khuẩn của chúng tôi, thì bạn không cần gia tăng áp suất lên cao hơn”.

Khi cổ khuẩn đã tạo ra acid amin trong lò phản ứng sinh học, các kỹ sư sẽ liên kết chúng với peptide, từ đó tạo ra nhiều loại thực phẩm chức năng. Nhờ khám phá này, Arkeon đã tạo ra một giải pháp thay thế đột phá cho ngành công nghiệp thực phẩm.

“So với quy trình sản xuất protein thông thường trong nông nghiệp, công nghệ của chúng tôi chỉ cần 1% diện tích đất và 0,01% lượng nước,” Tegl nói. “Cứ mỗi 1 kg acid amin tiêu thụ 1,5 kg CO2. Do đó, Arkeon có thể sản xuất acid amin để đảm bảo an ninh cung cấp lương thực trong tương lai mà không phụ thuộc vào khí hậu và đất nông nghiệp”.

Mới đây, Arkeon đã nhận được khoản đầu tư trị giá 2,75 triệu Euro trong vòng tài trợ do ICL Planet Startup Hub dẫn đầu. Ngoài khoản tài trợ, Arkeon sẽ có toàn quyền sử dụng các phòng thí nghiệm R&D của ICL Food Specialties và các cơ sở sản xuất.

Công ty hiện đang nhắm đến hai thị trường trọng điểm dành cho protein chức năng: thị trường thực phẩm có nguồn gốc thực vật và thị trường thực phẩm chức năng toàn cầu — bao gồm các lĩnh vực như dinh dưỡng cho trẻ em, người già và hoạt động thể thao, được dự đoán sẽ đạt 285 tỷ USD vào năm 2030. Trong thời gian tới, Arkeon dự định sẽ hợp tác với các startup thực phẩm thuần chay để đảm bảo hàm lượng protein trong sản phẩm của họ nhất có thể mà không ảnh hưởng đến hương vị.

Bên cạnh kế hoạch thương mại hoá ở châu Âu và Mỹ, Arkeon còn nhắm đến thị trường Singapore - trung tâm của ngành công nghiệp thịt nhân tạo ở châu Á. Thành phần của loại protein này được phân loại là Thực phẩm Lạ (Novel Food) theo quy định của EU, nghĩa là ban lãnh đạo cần phải xin phép cơ quan quản lý trước khi giới thiệu sản phẩm tại châu Âu. “Chúng được phân loại là thực phẩm lạ, là vì vi sinh vật chúng tôi sử dụng trước đây chưa từng được ứng dụng trong sản xuất thực phẩm”. Tuy nhiên, quá trình cấp phép có thể sẽ đơn giản, bởi công nghệ của Arkeon không dựa vào kỹ thuật di truyền, vậy nên việc chứng minh rằng sản phẩm cuối cùng không nhiễm DNA của tế bào sẽ rất dễ dàng.

“Mặc dù là một công ty hãy còn non trẻ, nhưng Arkeon đã mang đến một công nghệ bền vững và sáng tạo nhằm tạo ra thế hệ sản phẩm protein thay thế mới”, Rado Sporka, Phó chủ tịch của ICL, nhận định: “Họ đang vượt qua những giới hạn mới để tạo ra các protein độc đáo và hữu ích”.