Sử dụng vi khuẩn biến đội gene, các nhà khoa học đã chế tạo ra loại sợi mới, mạnh hơn thép và có độ bền hơn cả Kevlar. Các sợi tơ chế tạo được có độ bền và dai hơn cả một số loại tơ nhện tự nhiên. Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí ACS Nano.

Giải thích chính xác thì tơ nhân tạo, được gọi là sợi "polyme amyloid", về mặt kỹ thuật không phải do các nhà nghiên cứu sản xuất, mà do vi khuẩn biến đổi gene trong phòng thí nghiệm của GS sinh học Fuzhong Zhang tại Khoa Năng lượng, Môi trường & Kỹ thuật Hóa học thuộc Trường Kỹ thuật McKelvey.

GS Zhang trước đây đã nghiên cứu sâu về tơ nhện. Năm 2018, GS Zhang ghép các gene tạo tơ vào vi khuẩn và sản xuất ra tơ tái tổ hợp, tương đương các loại tơ nhện tự nhiên về tất cả những đặc tính cơ học.

Zhang nói: "Sau kết quả công trình nghiên cứu trước đây, chúng tôi có ý tưởng chế tạo sản phẩm tốt hơn tơ nhện, sử dụng nền tảng sinh học tổng hợp đã có trong phòng thí nghiệm".

Tác giả đầu tiên của công trình khoa học là Jingyao Li, nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của GS Zhang đã sửa đổi trình tự axit amin của protein tơ nhện để tạo ra những đặc tính mới nhưng vẫn giữ nguyên những đặc trưng lý tính hiệu quả của tơ nhện.

Một vấn đề liên quan đến tơ nhện tái tổ hợp, không có sự thay đổi đáng kể của tơ nhện tự nhiên là yêu cầu tạo ra tinh thể β-nano, thành phần chính của tơ nhện tự nhiên, tạo ra sức mạnh vật lý của sợi tơ.

GS Zhang cho biết: "Loài nhện từ tự nhiên đã có cách nhả ra tơ với một lượng tinh thể nano đáng mơ ước. Nhưng khi con người sử dụng quy trình kéo sợi nhân tạo, lượng tinh thể nano trong sợi tơ tổng hợp thường thấp hơn so với tơ tự nhiên".

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nhà khoa học thiết kế lại trình tự tơ, đưa vào các trình tự amyloid có xu hướng cao hình thành các tinh thể β-nano. Các nhà nghiên cứu chế tạo ra nhưng protein amyloid cao phân tử khác nhau, sử dụng đại diện là ba trình tự amyloid được nghiên cứu kỹ lưỡng. Những sợi protein thu được có trình tự axit amin ít lặp lại hơn so với tơ nhện, nên vi khuẩn biến đổi gen dễ dàng sản xuất hơn. Nhờ đó, vi khuẩn tạo ra một protein amyloid cao phân tử lai với 128 đơn vị lặp lại.

 Sợi polyme tổng hợp với 128 đơn vị protein lặp đi lặp lại do nhóm của Zhang tạo ra. Tơ do vi khẩn sản xuất có độ bền kéo cao hơn thép thông thường và dai hơn Kevlar.

Protein càng dài, chất xơ tạo thành càng chắc và dai. Kết quả thí nghiệm cho thấy, vi khuẩn tạo ra một protein amyloid cao phân tử lai với 128 đơn vị lặp lại, sản xuất sợi có độ bền kéo khoảng 1.000 megapascal (MPa). Độ bền Megapascal là thước đo lượng lực cần thiết để phá vỡ một sợi có đường kính cố định, độ bền kéo của thép kết cấu là 400MPa và thép cacbon là 841MPa. Tơ nhện có độ bền kéo dao động từ 450 cho đến 2.000MPa.

Độ dai của sợi (đơn vị đo năng lượng cần thiết để làm đứt sợi) cao hơn Kevlar và tất cả các sợi tơ tái tổ hợp trước đây. Nhờ số lượng tinh thể β-nano tăng lên, các sợi có độ dai trung bình khoảng 161 Megajoules/m3, cao hơn Kevlar và tất cả các sợi tơ tái tổ hợp trước đó và một số sợi tơ nhện tự nhiên. Đây vẫn chưa phải phải là dai nhất tuyệt đối, tơ của nhện sói, vật liệu sinh học bền nhất có độ dai trung bình là 350MJ/m3. (Một số loại tơ kéo thành sợi lên đến 520MJ/m3.)

Phối hợp với Young - Shin Jun, giáo sư Khoa Năng lượng, Môi trường & Kỹ thuật Hóa học và nghiên cứu sinh Yaguang Zhu, nhóm nghiên cứu xác nhận, nhờ tăng cường số lượng tinh thể β-nano, các sợi amyloid cao phân tử có được những đặc tính cơ học cao vượt trội so với tự nhiên.

Những protein mới này và kết quả là loại sợi mới tiên tiến là kết quả đầu tiên của lĩnh vực nghiên cứu sợi tổng hợp hiệu suất cao trong phòng thí nghiệm Zhang. GS Zhang nhấn mạnh: "Kết quả đạt được cho thấy, chúng ta có thể sử dụng giải pháp thiết kế sinh học để tạo ra vật liệu, vượt trội hơn hẳn những vật liệu tốt nhất trong tự nhiên".

Công trình nghiên cứu này chỉ mới khám phá ba trong số hàng nghìn trình tự amyloid khác nhau, có khả năng tăng cường những đặc tính của tơ nhện tự nhiên. Ông Li nói: "Có những khả năng không giới hạn trong kỹ thuật vật liệu hiệu suất cao khi sử dụng nền tảng của nghiên cứu. Chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng các trình tự khác, đưa vào giải pháp thiết kế này và thu được những loại sợi mới có hiệu suất đặc biệt cao cho những mục đích cụ thể".

 Nguồn: KH&ĐS

Trịnh Thái Bằng