Giới khoa học vừa đánh dấu một cột mốc lịch sử khi lần đầu tiên tái tạo thành công tơ của một loài ong ngay bên trong phòng thí nghiệm. Thành tựu đột phá này đã mở ra những triển vọng vô cùng to lớn cho việc phát triển các loại vật liệu sinh học thế hệ mới với đặc tính siêu nhẹ, siêu bền, linh hoạt và hoàn toàn có thể phân hủy sinh học.
Trong suốt nhiều thập kỷ qua, tơ nhện luôn được giới vật liệu học tôn vinh là "ứng viên vàng" nhờ độ bền kéo đứt vượt trội so với thép. Tuy nhiên, việc sản xuất tơ nhện nhân tạo ở quy mô công nghiệp lại vấp phải vô vàn rào cản kỹ thuật khổng lồ. Chính vì vậy, hướng nghiên cứu đang dần chuyển dịch sang một loại vật liệu tự nhiên ít người ngờ tới nhưng lại mang tiềm năng cực lớn: Tơ ong.
Ong thợ hồ xanh (Osmia lignaria) - sinh vật bé nhỏ mang trong mình bí ẩn về siêu vật liệu tương lai. Ảnh: iNaturalist
Theo chia sẻ từ Tiến sĩ sinh học phân tử Oran Wasserman, hiện đang công tác và giảng dạy tại Đại học Bang Utah (Mỹ), khả năng kéo tơ trong thế giới tự nhiên thực chất phổ biến hơn rất nhiều so với những gì con người vẫn lầm tưởng. Không chỉ có nhện hay tằm, rất nhiều loài côn trùng khác cũng sở hữu khả năng kỳ diệu này.
Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Wasserman dẫn đầu đã đi vào lịch sử khi trở thành những người đầu tiên tạo ra thành công một màng vật liệu hoàn chỉnh từ protein tơ của loài ong thợ hồ xanh (Osmia lignaria). Bước tiến mang tính bước ngoặt này đã đặt nền móng vững chắc cho việc khai thác và ứng dụng siêu vật liệu sinh học trong tương lai gần.
Các giai đoạn phát triển kỳ diệu của ấu trùng ong thợ hồ xanh và cấu trúc chiếc kén tơ siêu bền. Ảnh: PLOS ONE
Thống kê sinh học cho thấy khoảng 75% các loài ong trên toàn thế giới có tập tính sống đơn độc thay vì bầy đàn. Ấu trùng của những loài ong này sở hữu một bản năng tuyệt vời: chúng tự tiết ra các dải tơ sinh học để dệt nên một chiếc kén vững chắc, bao bọc và bảo vệ cơ thể non nớt trong suốt quá trình lột xác và phát triển.
Điều thú vị là kỹ thuật dệt của ong hoàn toàn khác biệt. Nếu như loài tằm nổi tiếng với việc tạo kén bằng cách nhả ra duy nhất một sợi tơ liên tục kéo dài hàng km, thì ấu trùng ong lại xây dựng kén giống hệt như một công trình kiến trúc phức tạp. Chúng liên tục cố định các sợi tơ vào thành tổ, kéo căng hết cỡ rồi cẩn thận xếp chồng vô số lớp đan xen lên nhau.
Phương pháp dệt tinh vi này đã tạo ra một lớp kén tuy mỏng manh nhưng lại sở hữu những đặc tính vi diệu: khả năng cân bằng trao đổi khí hoàn hảo, duy trì độ ẩm môi trường lý tưởng, chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn tự nhiên và đặc biệt là sức đề kháng chống đâm xuyên cực kỳ hiệu quả.
Chính sự kết hợp hoàn hảo giữa độ bền cơ học cao, tính linh hoạt dẻo dai, đặc tính kháng khuẩn tự nhiên và độ thoáng khí tuyệt đối đã biến tơ ong trở thành ứng viên số một cho ngành vật liệu y sinh. Các chuyên gia y tế đánh giá loại tơ này có thể được ứng dụng để sản xuất các loại chỉ khâu phẫu thuật tự tiêu chất lượng cao, giá đỡ nuôi cấy mô nhân tạo hay các loại vải kỹ thuật cấy ghép sinh học.
Tuy nhiên, bài toán khó nhất đặt ra cho các nhà khoa học là làm sao để thu hoạch được những sợi tơ quý giá này mà không làm tổn hại đến sinh mạng của ấu trùng ong. Để giải quyết, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống nuôi cấy đột phá sử dụng công nghệ in 3D, mô phỏng chính xác cấu trúc tổ ong trong tự nhiên.
Họ tiến hành theo dõi ấu trùng sát sao hằng ngày và khéo léo trích xuất lấy những sợi tơ đầu tiên ngay khi quá trình dệt kén vừa mới bắt đầu. Kỹ thuật "trộm tơ" nhân đạo này gần như không gây ra bất kỳ ảnh hưởng tiêu cực nào, bởi ấu trùng vẫn có đủ thời gian và sức lực để hoàn thành trọn vẹn chiếc kén của mình sau khi bị lấy mẫu.
Từ những sợi tơ quý giá thu hoạch được trong tổ 3D, nhóm chuyên gia đã tiến hành giải mã và xác định thành công trình tự gene chịu trách nhiệm sản xuất protein tơ. Ngay sau đó, đoạn gene này được cấy ghép vào bên trong các vi sinh vật biến đổi gene nhằm biến chúng thành những "nhà máy" sản xuất protein tơ ong quy mô lớn ngay trong phòng thí nghiệm.
Những chuỗi protein thô sau khi thu hoạch sẽ trải qua quá trình tinh sạch vô cùng khắt khe và phức tạp. Cuối cùng, chúng được chế tạo thành các màng vật liệu trong suốt, có khả năng tự đứng vững và chịu lực cực tốt.
Mặc dù siêu vật liệu mới này hiện vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm lâm sàng, nhưng kỹ thuật tổng hợp gene sinh học đột phá này đã mở ra vô vàn cơ hội để giới khoa học tiếp tục khảo sát, khám phá sức mạnh từ nhiều loài ong khác nhau trên toàn cầu. Những kết quả nghiên cứu chi tiết đã được công bố chính thức trên các tạp chí khoa học uy tín hàng đầu như PLOS ONE và SynBio.
Nguồn: Tổng hợp và biên tập lại từ trang tin khoa học ScienceAlert cùng báo cáo trên PLOS ONE, SynBio.
Trong suốt nhiều thập kỷ qua, tơ nhện luôn được giới vật liệu học tôn vinh là "ứng viên vàng" nhờ độ bền kéo đứt vượt trội so với thép. Tuy nhiên, việc sản xuất tơ nhện nhân tạo ở quy mô công nghiệp lại vấp phải vô vàn rào cản kỹ thuật khổng lồ. Chính vì vậy, hướng nghiên cứu đang dần chuyển dịch sang một loại vật liệu tự nhiên ít người ngờ tới nhưng lại mang tiềm năng cực lớn: Tơ ong.
Ong thợ hồ xanh (Osmia lignaria) - sinh vật bé nhỏ mang trong mình bí ẩn về siêu vật liệu tương lai. Ảnh: iNaturalist
Phát hiện bất ngờ từ loài ong thợ hồ xanh
Theo chia sẻ từ Tiến sĩ sinh học phân tử Oran Wasserman, hiện đang công tác và giảng dạy tại Đại học Bang Utah (Mỹ), khả năng kéo tơ trong thế giới tự nhiên thực chất phổ biến hơn rất nhiều so với những gì con người vẫn lầm tưởng. Không chỉ có nhện hay tằm, rất nhiều loài côn trùng khác cũng sở hữu khả năng kỳ diệu này.
Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Wasserman dẫn đầu đã đi vào lịch sử khi trở thành những người đầu tiên tạo ra thành công một màng vật liệu hoàn chỉnh từ protein tơ của loài ong thợ hồ xanh (Osmia lignaria). Bước tiến mang tính bước ngoặt này đã đặt nền móng vững chắc cho việc khai thác và ứng dụng siêu vật liệu sinh học trong tương lai gần.
Các giai đoạn phát triển kỳ diệu của ấu trùng ong thợ hồ xanh và cấu trúc chiếc kén tơ siêu bền. Ảnh: PLOS ONE
Cấu trúc dệt kén độc đáo phá vỡ mọi quy chuẩn
Thống kê sinh học cho thấy khoảng 75% các loài ong trên toàn thế giới có tập tính sống đơn độc thay vì bầy đàn. Ấu trùng của những loài ong này sở hữu một bản năng tuyệt vời: chúng tự tiết ra các dải tơ sinh học để dệt nên một chiếc kén vững chắc, bao bọc và bảo vệ cơ thể non nớt trong suốt quá trình lột xác và phát triển.
Điều thú vị là kỹ thuật dệt của ong hoàn toàn khác biệt. Nếu như loài tằm nổi tiếng với việc tạo kén bằng cách nhả ra duy nhất một sợi tơ liên tục kéo dài hàng km, thì ấu trùng ong lại xây dựng kén giống hệt như một công trình kiến trúc phức tạp. Chúng liên tục cố định các sợi tơ vào thành tổ, kéo căng hết cỡ rồi cẩn thận xếp chồng vô số lớp đan xen lên nhau.
Phương pháp dệt tinh vi này đã tạo ra một lớp kén tuy mỏng manh nhưng lại sở hữu những đặc tính vi diệu: khả năng cân bằng trao đổi khí hoàn hảo, duy trì độ ẩm môi trường lý tưởng, chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn tự nhiên và đặc biệt là sức đề kháng chống đâm xuyên cực kỳ hiệu quả.
Tiềm năng ứng dụng khổng lồ trong y sinh học
Chính sự kết hợp hoàn hảo giữa độ bền cơ học cao, tính linh hoạt dẻo dai, đặc tính kháng khuẩn tự nhiên và độ thoáng khí tuyệt đối đã biến tơ ong trở thành ứng viên số một cho ngành vật liệu y sinh. Các chuyên gia y tế đánh giá loại tơ này có thể được ứng dụng để sản xuất các loại chỉ khâu phẫu thuật tự tiêu chất lượng cao, giá đỡ nuôi cấy mô nhân tạo hay các loại vải kỹ thuật cấy ghép sinh học.
Tuy nhiên, bài toán khó nhất đặt ra cho các nhà khoa học là làm sao để thu hoạch được những sợi tơ quý giá này mà không làm tổn hại đến sinh mạng của ấu trùng ong. Để giải quyết, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống nuôi cấy đột phá sử dụng công nghệ in 3D, mô phỏng chính xác cấu trúc tổ ong trong tự nhiên.
Họ tiến hành theo dõi ấu trùng sát sao hằng ngày và khéo léo trích xuất lấy những sợi tơ đầu tiên ngay khi quá trình dệt kén vừa mới bắt đầu. Kỹ thuật "trộm tơ" nhân đạo này gần như không gây ra bất kỳ ảnh hưởng tiêu cực nào, bởi ấu trùng vẫn có đủ thời gian và sức lực để hoàn thành trọn vẹn chiếc kén của mình sau khi bị lấy mẫu.
Công nghệ tổng hợp gene tạo màng vật liệu trong suốt
Từ những sợi tơ quý giá thu hoạch được trong tổ 3D, nhóm chuyên gia đã tiến hành giải mã và xác định thành công trình tự gene chịu trách nhiệm sản xuất protein tơ. Ngay sau đó, đoạn gene này được cấy ghép vào bên trong các vi sinh vật biến đổi gene nhằm biến chúng thành những "nhà máy" sản xuất protein tơ ong quy mô lớn ngay trong phòng thí nghiệm.
Những chuỗi protein thô sau khi thu hoạch sẽ trải qua quá trình tinh sạch vô cùng khắt khe và phức tạp. Cuối cùng, chúng được chế tạo thành các màng vật liệu trong suốt, có khả năng tự đứng vững và chịu lực cực tốt.
Mặc dù siêu vật liệu mới này hiện vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm lâm sàng, nhưng kỹ thuật tổng hợp gene sinh học đột phá này đã mở ra vô vàn cơ hội để giới khoa học tiếp tục khảo sát, khám phá sức mạnh từ nhiều loài ong khác nhau trên toàn cầu. Những kết quả nghiên cứu chi tiết đã được công bố chính thức trên các tạp chí khoa học uy tín hàng đầu như PLOS ONE và SynBio.
Nguồn: Tổng hợp và biên tập lại từ trang tin khoa học ScienceAlert cùng báo cáo trên PLOS ONE, SynBio.
