Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Tơ nhện tổng hợp chắc và dai hơn (07/09/2018)

Tơ nhện là một trong những vật liệu chắc và dai nhất trong thế giới tự nhiên, tương tự như một số hợp kim thép với độ bền thậm chí còn hơn sợi Kevlar được dùng sản xuất áo giáp chống đạn. Sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo dai chưa từng có của tơ nhện đã làm cho vật liệu được tạo ra từ protein này trở nên hấp dẫn cho nhiều ứng dụng khác nhau từ chỉ y tế siêu mỏng cho đến quần áo chống đạn. Tuy nhiên, do đặc trưng lãnh thổ và ăn thịt đồng loại của nhện, nên tơ nhện không thể được sản xuất hàng loạt. Do vậy, các ứng dụng thực tế vẫn chưa thành hiện thực.

Tơ nhện sinh học tổng hợp. Ảnh: Christopher Bowen

Trước đây, các nhà khoa học đã tạo ra một số loại tơ nhện tổng hợp, nhưng không thể thiết kế loại vật liệu có tất cả các tính chất của tơ nhện tự nhiên. Đến nay, nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Washington đã tạo ra vi khuẩn sản xuất tơ nhện sinh học tổng hợp với hiệu quả ngang bằng nhện trong tự nhiên. Phát hiện này có nhiều triển vọng trong tương lai. 

Nghiên cứu mới nêu rõ độ bền kéo và dẻo dai của tơ nhện vẫn tương đối có liên quan đến trọng lượng phân tử của nó. Phân tử càng lớn, thì tơ càng bền chắc. PGS. Fuzhong Zhang, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Mọi người đã biết về mối liên hệ này, nhưng chỉ với các protein có kích thước nhỏ hơn. Chúng tôi nhận thấy rằng thậm chí ở kích thước lớn, mối liên hệ vẫn rất tốt”.

Một trong những thách thức lớn nhất trước đây trong việc tạo ra tơ nhện sinh học tổng hợp là tạo ra một lượng protein đủ lớn. Đây là khó khăn lớn trên thực tế đòi hỏi một cách tiếp cận hoàn toàn mới.

Christopher Bowen, một trong các tác giả nghiên cứu cho rằng: “Chúng tôi đã bắt đầu với những gì người khác đã làm để tạo nên một chuỗi di truyền lặp. Trình tự ADN được lập mô hình sau khi chuỗi di truyền ở nhện sản sinh protein tơ. Về lý thuyết, chuỗi di truyền càng lặp lại nhiều thì protein càng lớn”.

Tuy nhiên, sau khi trình tự ADN đạt đến một kích thước nhất định, PGS. Bowen cho rằng vi khuẩn không thể xử lý nó, chúng cắt chuỗi thành những mảnh nhỏ. Đó là vấn đề các nhà khoa học đã vấp phải nhiều lần trong những nỗ lực trước đây. Để khắc phục trở ngại này, nhóm nghiên cứu đã bổ sung một chuỗi di truyền ngắn vào ADN của tơ nhện để thúc đẩy phản ứng hóa học giữa các protein tạo thành, kết hợp chúng lại để tạo nên một protein lớn hơn, thậm chí lớn chưa từng có và được tinh lọc trước.

Bowen cho biết: “Chúng tôi đã tạo ra protein cơ bản lớn gấp đôi bất cứ loại protein nào trước đây”. Chuỗi protein tơ có kích thước là 556 kDa. Trước đây, protein tơ nhện sinh học tổng hợp lớn nhất là 285 kDa. Thậm chí, các protein tơ nhện tự nhiên thường là khoảng 370 kDa, dù trong một số trường hợp ngoại lệ có thể lớn hơn một chút.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã quay các protein tơ sinh học tổng hợp đặc biệt cỡ lớn thành sợi có kích thước bằng khoảng 1/10 đường kính của sợi tóc người và kiểm tra các tính chất cơ học của chúng. Tơ sinh học tổng hợp này là tơ đầu tiên mô phỏng tơ nhện tự nhiên về độ bền kéo (ứng suất tối đa cần để làm đứt sợi), độ dai (tổng số năng lượng được hấp thụ bởi sợi trước khi sợi đứt vỡ), cũng như các thông số cơ học khác như mô-đun đàn hồi và độ giãn.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đang tìm cách hướng tới việc định vị các sợi tơ sinh học tổng hợp để thay thế vô số sợi tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ được sử dụng trong ngành công nghiệp. Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng lên kế hoạch tiếp tục khám phá các giới hạn của cách tiếp cận mới. Ngoài sản xuất sợi tơ sinh học tổng hợp đầu tiên để mô phỏng toàn bộ hiệu suất của tơ nhện tự nhiên, thì nghiên cứu cho thấy độ bền và độ dẻo dai của loại sợi này sẽ tiếp tục tăng nếu có thể sản xuất được các protein lớn hơn.

Nguồn: N.T.T (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 05/9/2018