Sau recycling có thể là “molecular recycling”: Rác không trở lại thành vật cũ mà trở thành protein, thuốc và vật liệu mới

Một chai PET được tái chế theo cách quen thuộc thường có một đích đến dễ hiểu: trở thành PET lần nữa. Polymer được nghiền, nấu chảy hoặc depolymerize thành monomer rồi tổng hợp lại. Vòng tròn càng khép kín, câu chuyện recycling càng có vẻ hoàn chỉnh.

Nhưng một loạt nghiên cứu gần đây đang thử một câu hỏi khác: nếu đã phá chất thải xuống cấp phân tử, tại sao carbon phải quay về đúng vật liệu ban đầu?

Tháng 3/2026, hai nghiên cứu trên Nature Sustainability đưa ra hai phiên bản khá rõ của ý tưởng đó. Một nhóm tại University of Edinburgh biến carbon từ PET thành L-DOPA, thuốc nền tảng trong điều trị Parkinson. Một nhóm tại University of Illinois Urbana-Champaign xây một “assembly line” vi sinh vật: PET trước tiên được chuyển thành pyruvate, sau đó có thể được chuyển tiếp cho những vi sinh vật khác để tạo pigment, enzyme, biopolymer, hóa chất, nhiên liệu hoặc thậm chí điện.

Ở đây, “recycling” bắt đầu giống một hệ thống sản xuất phân tử hơn một nhà máy tái chế vật liệu. Rác không nhất thiết trở lại thành vật cũ. Nó trở thành nguồn carbon mà hóa học và biology có thể tái phân phối sang sản phẩm hoàn toàn khác.

“Molecular recycling” không phải lúc nào cũng có nghĩa cùng một thứ

Thuật ngữ molecular recycling đã được ngành nhựa dùng cho nhiều công nghệ chemical recycling: pyrolysis, solvolysis, depolymerization hoặc các quy trình khác phá polymer thành các phân tử nhỏ hơn. Trong một vòng khép kín, những phân tử đó được dùng để tổng hợp lại polymer có chất lượng gần vật liệu nguyên sinh.

Nhưng có một nhánh rộng hơn thường được gọi là upcycling, open-loop valorization hoặc bio-upcycling. Thay vì bắt carbon quay lại đúng polymer cũ, quy trình đưa nó sang một sản phẩm có chức năng và đôi khi giá trị hoàn toàn khác.

Sự phân biệt này quan trọng. Chai PET → monomer PET → chai PET là closed-loop recycling. Chai PET → terephthalic acid → vi khuẩn → L-DOPA không còn là một vòng PET nữa. Nó là quá trình lấy carbon đã nằm trong chất thải và đưa carbon đó sang chuỗi cung ứng dược phẩm.

Chính khả năng đổi “đích đến” này khiến molecular upcycling hấp dẫn. Một vật liệu vốn quá bẩn hoặc quá xuống cấp để tái tạo sản phẩm cũ có thể vẫn chứa những nguyên tử carbon hữu ích nếu có cách đưa chúng vào một feedstock đủ sạch cho hóa học hoặc sinh học.

Một chai PET có thể trở thành nguyên liệu để vi khuẩn tạo L-DOPA

Công trình của Benjamin Royer, Stephen Wallace và các đồng nghiệp tại University of Edinburgh bắt đầu từ terephthalic acid (TPA), một trong hai thành phần chính thu được khi PET bị depolymerize.

Nhóm thiết kế một con đường sinh tổng hợp mới trong Escherichia coli. TPA trước hết được chuyển thành protocatechuate, sau đó thành catechol. Ở bước cuối, một enzyme tyrosine-phenol lyase tạo liên kết carbon–carbon giữa catechol và pyruvate trong môi trường có ammonia để hình thành L-DOPA.

Con đường nghe tuyến tính nhưng không chạy tốt ngay từ đầu. TPA đi vào tế bào không đủ nhanh và các chất trung gian có thể ức chế enzyme phía trước. Nhóm phải đưa thêm transporter vào E. coli và cuối cùng chia pathway giữa hai chủng vi khuẩn: một chủng chịu trách nhiệm chuyển TPA tới catechol, chủng còn lại hoàn tất bước tạo L-DOPA.

Trong điều kiện tối ưu, hệ đạt nồng độ L-DOPA 5,0 g/l, với mức chuyển đổi 84% trong một thử nghiệm dùng TPA lấy từ PET công nghiệp. Nhóm cũng tạo và phân lập được sản phẩm từ PET sau tiêu dùng, trong đó có một chai nhựa đơn lẻ. Ở thử nghiệm scale 0,5 l sử dụng PET đã depolymerize hóa học, nồng độ L-DOPA đạt khoảng 0,9 g/l.

Chi tiết quan trọng là sản phẩm của thí nghiệm không phải viên thuốc sẵn sàng cấp cho bệnh nhân. L-DOPA được tinh sạch ở quy mô preparative bằng sắc ký. Một quy trình dược phẩm thương mại còn phải đáp ứng tiêu chuẩn nguyên liệu, impurity profile, GMP, validation và regulatory mà paper này chưa thử giải quyết.

Nhưng về mặt carbon, thí nghiệm đã chứng minh một điều khá trực tiếp: vòng benzene vốn nằm trong PET được giữ lại qua chuỗi phản ứng và xuất hiện trong phân tử thuốc cuối cùng, thay vì phải lấy carbon thơm mới từ feedstock hóa thạch.

Thay vì thiết kế một vi khuẩn làm mọi thứ, có thể xây một “assembly line”

Nhóm Ting Lu tại University of Illinois Urbana-Champaign tiếp cận cùng vấn đề theo hướng module hóa hơn. Họ không muốn tạo một strain đặc biệt để biến PET thành duy nhất một sản phẩm. Mục tiêu là tạo một điểm trung gian mà nhiều “nhà máy tế bào” khác nhau đều có thể sử dụng.

Điểm trung gian được chọn là pyruvate, một metabolite trung tâm trong chuyển hóa của rất nhiều sinh vật.

PET sau depolymerization cho terephthalic acid và ethylene glycol. Nhóm engineering Pseudomonas putida để ăn hai thành phần này và tích lũy pyruvate thay vì tiếp tục tiêu thụ nó cho tăng trưởng. Sau đó một strain thứ hai được ghép vào hệ để lấy pyruvate và tạo sản phẩm mục tiêu.

Cách thiết kế giống một dây chuyền có đầu nối chung. Module đầu làm nhiệm vụ “dịch” PET sang một currency sinh học phổ biến. Module thứ hai có thể được đổi tùy sản phẩm cần làm.

Paper trình diễn nhiều cấu hình cho hóa chất, nhiên liệu, enzyme, biopolymer và electricity. Trong demo dùng rác thật, nhóm lấy chai nước và chai nước ngọt từ thùng recycling, nghiền, hydrolyze rồi cho feedstock vào hệ đồng nuôi cấy. Một strain E. coli sử dụng pyruvate do P. putida tạo ra để sản xuất indigoidine, một pigment màu xanh.

Điểm mới không phải indigoidine tự nó có giá trị đặc biệt. Nó chứng minh kiến trúc có thể thay “đầu ra” mà không phải xây lại toàn bộ tuyến xử lý PET từ đầu. Nếu mô hình này scale được, cơ sở upcycling có thể giống biorefinery: một feedstock chất thải được funnel về vài metabolite trung gian rồi phân nhánh sang sản phẩm tùy nhu cầu.

Protein cũng có thể được xây từ carbon từng nằm trong polyethylene

Ý tưởng này không chỉ áp dụng cho PET. Năm 2023, một nhóm tại Rensselaer Polytechnic Institute và Argonne National Laboratory đã trình diễn một tuyến hai bước để biến polyethylene thành recombinant protein.

Polyethylene khó xử lý sinh học hơn PET vì chuỗi carbon không có các liên kết ester dễ hydrolyze. Nhóm trước hết depolymerize polyethylene thành hỗn hợp hydrocarbon nhỏ hơn, sau đó dùng Pseudomonas aeruginosa làm host sản xuất protein.

Họ tích hợp gene cho green fluorescent protein và một protein lấy cảm hứng từ dragline silk của nhện. Khi dùng feedstock polyethylene đã depolymerize làm nguồn carbon, hệ tạo được protein silk-inspired ở mức khoảng 11,3 ± 1,1 mg/l.

Con số này cho thấy đây vẫn là proof-of-concept chứ chưa phải biomanufacturing cạnh tranh. Titre thấp hơn rất nhiều so với những fermentation protein thương mại được tối ưu, và P. aeruginosa là một vi khuẩn cơ hội gây bệnh nên bản thân strain này không phải lựa chọn hiển nhiên cho một dây chuyền food hoặc therapeutic protein.

Giá trị của thí nghiệm nằm ở nguyên lý: carbon trong một polymer commodity có thể đi qua metabolism rồi xuất hiện trong một macromolecule được mã hóa bằng gene. Đích đến của recycling từ đó không còn bị giới hạn bởi chemistry ban đầu của nhựa.

Hóa học cũng có thể đưa PET sang thuốc và một polymer hoàn toàn mới

Biology không phải con đường duy nhất. Một nghiên cứu từ University of St Andrews và Delft University of Technology, công bố trên Angewandte Chemie International Edition năm 2026, dùng ruthenium pincer catalyst để semihydrogenate PET.

Thay vì phân giải PET hoàn toàn về terephthalic acid rồi quay lại PET, nhóm tạo ethyl 4-(hydroxymethyl)benzoate, hay EHMB. Phản ứng chạy ở 80 °C trong hỗn hợp dung môi có nguồn gốc sinh học với hydrogen áp suất cao; nhóm báo cáo turnover number trên 30.000 khi xử lý cả chai và textile PET cuối vòng đời.

EHMB sau đó được dùng làm intermediate để tổng hợp precursor cho nhiều dược chất đã biết, một agrochemical và một polyester mới có khả năng tái chế. Phân tích cradle-to-gate của nhóm cho thấy route dùng PET thải có environmental footprint thấp hơn route EHMB thông thường bắt đầu từ p-toluic acid trong các assumptions của nghiên cứu.

Đây là một ví dụ khác về việc không cố khép vòng theo sản phẩm. PET cũ có thể trở thành một polymer khác nếu polymer mới mang tính năng hoặc khả năng tái chế tốt hơn.

Giá trị cao không đồng nghĩa giải quyết được khối lượng rác lớn

Các ví dụ “chai nhựa thành thuốc” rất dễ tạo một ấn tượng sai: nếu sản phẩm cuối có giá trị đủ cao, bài toán plastic waste gần như đã được giải.

Thực tế, high-value molecules thường có thị trường nhỏ hơn rất nhiều so với commodity plastic. Một nhà máy có thể tạo lợi nhuận tốt khi biến một phần nhỏ feedstock thành dược chất hoặc enzyme mà vẫn không thể hấp thụ khối lượng rác ở quy mô ngành nhựa. Upcycling vì thế nhiều khả năng là một nhánh trong hệ thống xử lý, không phải phương án duy nhất cho toàn bộ waste stream.

Chất thải thật cũng khó hơn polymer tinh khiết trong phòng lab. Bao bì có màu, plasticizer, adhesive và multilayer. Mixed waste có thể chứa PET, polyethylene, polypropylene, polystyrene cùng một lúc. Các bước chemical pretreatment tạo ra hỗn hợp oxygenate và đôi khi cả chất ức chế microbial growth.

Nghiên cứu về microbial consortia đã bắt đầu giải bài toán này. Một paper Nature Communications công bố cuối 2025 dùng hai vi khuẩn chia việc để tiêu thụ các acid thơm và acid aliphatic từ hỗn hợp nhựa đã oxy hóa, rồi tạo lycopene và microbial lipid. Consortium giữ được khả năng chuyển hóa và cân bằng quần thể ít nhất 21 ngày trong điều kiện nghiên cứu. Nhưng nó vẫn cần một bước oxidative depolymerization ở phía trước.

Nói cách khác, biology hiện chưa “ăn” được túi rác hỗn hợp rồi tự xuất ra thuốc. Phần hóa học dùng để giải phóng carbon khỏi polymer vẫn là một trong những bước khó và có thể quyết định phần lớn năng lượng, hóa chất và economics của toàn quy trình.

Rác làm nguyên liệu dược còn kéo theo một tiêu chuẩn khó hơn: truy xuất và tinh sạch

Đối với fuel hoặc một số vật liệu bulk, feedstock biến động có thể chấp nhận được trong một khoảng nhất định. Với protein dùng trong y sinh hoặc pharmaceutical intermediate, yêu cầu purity và traceability cao hơn nhiều.

Điều này không có nghĩa carbon từ rác tự nó “bẩn”. Sau khi một nguyên tử carbon được đưa vào molecule và sản phẩm được tinh sạch đúng chuẩn, nguồn gốc trước đó không quyết định độ tinh khiết của nó. Vấn đề nằm ở cả chuỗi process: tạp chất có làm enzyme hỏng hay không, có tạo side product khó tách không, quy trình purification có loại được catalyst, solvent, endotoxin và contaminant tới mức yêu cầu hay không.

Đó là nơi molecular recycling phải chứng minh nhiều hơn một phản ứng hóa học đẹp. Một route chỉ có ý nghĩa công nghiệp nếu mass balance, energy use, downstream purification và waste mới sinh ra không xóa mất lợi ích của việc dùng carbon tái chế.

Từ “recycle vật liệu” sang “recycle nguyên tử carbon”

Cách nhìn mới có thể được tóm lại bằng việc thay đổi đơn vị cần bảo tồn.

Mechanical recycling cố giữ lại vật liệu. Chemical recycling có thể giữ lại monomer. Molecular upcycling đi thêm một bước: thứ cần giữ lại có thể chỉ là những nguyên tử carbon đủ giá trị để đưa sang một chuỗi sản xuất khác.

Với PET, vòng aromatic có thể đi vào L-DOPA. Với polyethylene, hydrocarbon có thể trở thành thức ăn cho vi khuẩn rồi đi vào protein. Với những platform programmable, carbon có thể được funnel về pyruvate trước khi được “định tuyến” sang nhiều sản phẩm khác nhau.

Điều này không khiến recycling truyền thống lỗi thời. Nếu một chai có thể được tái sử dụng hoặc biến lại thành chai với ít năng lượng, phá nó thành feedstock sinh học phức tạp hơn chưa chắc hợp lý. Nhưng với những dòng vật liệu không còn phù hợp cho closed-loop recycling, khả năng đổi đích đến ở cấp phân tử mở ra một lựa chọn khác: không hỏi “rác này có thể trở lại thành gì giống nó?”, mà hỏi “những nguyên tử bên trong nó còn có thể xây thứ gì có ích hơn?”.

Bước tiếp theo của lĩnh vực sẽ không chỉ là thêm những ví dụ gây bất ngờ kiểu “plastic thành X”. Nó là chứng minh các tuyến đó hoạt động với rác hỗn hợp thật, ở reactor lớn hơn, với catalyst và vi sinh vật đủ bền, sản phẩm đủ sạch và life-cycle analysis cho thấy tổng hệ thống thực sự tốt hơn việc lấy carbon mới từ dầu mỏ.

Nguồn

• Benjamin Royer và cộng sự, “Microbial upcycling of plastic waste to levodopa”, Nature Sustainability, 2026.
• University of Edinburgh — research record và dữ liệu tóm tắt về PET-to-L-DOPA.
• Yuanchao Qian, James J. Collins & Ting Lu, “A programmable microbial assembly line for plastic upcycling”, Nature Sustainability, 2026.
• University of Illinois Urbana-Champaign — microbial assembly line và thử nghiệm với chai PET sau tiêu dùng.
• Alexander Connor và cộng sự, “Two-step conversion of polyethylene into recombinant proteins using a microbial platform”, Microbial Cell Factories, 2023.
• Pavel S. Kulyabin và cộng sự, “From Plastic Waste to Pharmaceutical Precursors: PET Upcycling Through Ruthenium Catalyzed Semi-Hydrogenation”, Angewandte Chemie International Edition, 2026.
• Jinjin Diao và cộng sự, “Engineering microbial consortia for mixed plastic upcycling”, Nature Communications, 2026.
• Paula S. Mateos và cộng sự, “Thermochemical and chemo-biological molecular recycling of plastic waste and plastic-biomass waste mixtures: an updated review”, RSC Sustainability, 2025.