Tơ tằm dai hơn dây thép

Các nhà khoa học Mỹ gây biến đổi gene của tằm để chúng nhả ra những sợi tơ chắc như dây thép.

ties-necktie.com.

 

Tơ nhện là vật liệu dai nhất trong tự nhiên. Với cùng một khối lượng thì một sợi tơ nhện cứng, dai và có khả năng đàn hồi lớn hơn nhiều so với sợi dây thép. Giới khoa học đã tìm ra cách tạo ra tơ nhện trong phòng thí nghiệm. Song họ không thể sản xuất tơ nhện nhân tạo trên quy mô lớn vì hàng triệu con nhện mới nhả ra vài kg tơ. Ngoài ra những con nhện sẽ tàn sát lẫn nhau nếu chúng bị nhốt trong cùng một chỗ.

Ngược lại, tằm có thể sản xuất tơ với khối lượng lớn và chúng không tàn sát lẫn nhau. Vấn đề duy nhất là tơ tằm không dai và khỏe như tơ nhện.

Để giúp tằm nhả ra những sợi tơ có phẩm chất tương đương tơ nhện, một số nhà nghiên cứu đã nghĩ ra cách cấy gene của nhện vào cơ thể tằm. Nhưng sau đó lượng tơ mà những con tằm biến đổi gene nhả ra lại giảm nên họ không thể sản xuất tơ với quy mô lớn.

Giáo sư Donald Jarvis, một chuyên gia của Đại học Wyoming tại Mỹ, cùng các đồng nghiệp tiếp tục áp dụng kỹ thuật biến đổi gene để tăng khả năng nhả tơ của tằm. Kết quả là những con tằm của họ đã tạo ra một hỗn hợp bao gồm cả thành phần của tơ nhện và tơ tằm. Ngoài ra năng suất nhả tơ của tằm cũng tăng vọt, tạo ra động lực cho việc sản xuất tơ quy mô lớn.

Thành tựu của Jarvis và các đồng nghiệp có thể dẫn tới nhiều ứng dụng to lớn trong tương lai. Người ta có thể sử dụng tơ của tằm biến đổi gene để chế tạo vải siêu bền. Từ loại vải đó con người có thể sản xuất nhiều thứ như áo chống đạn, miếng băng vết thương.

Tơ nhện có thể cứu người bị bỏng

Các nhà khoa học Đức tuyên bố họ đã hoàn thành những bước đầu tiên trong nỗ lực biến tơ nhện thành da nhân tạo.

Cấy ghép da là công việc rất cần thiết trong quá trình điều trị bỏng và một số bệnh ngoài da. Ngoài ra, da của bệnh nhân còn có thể bị tổn thương do nằm trên giường quá lâu. Mỗi năm, khoảng 6,5 triệu người Mỹ hứng chịu kiểu tổn thương da như vậy và chi phí điều trị của họ lên tới 25 tỷ USD, Livescience cho biết.

Để điều trị bỏng, thông thường bác sĩ lấy da ở bộ phận lành lặn của cơ thể để cấy vào vùng bị tổn thương. Do nguồn cung da không đáp ứng nhu cầu điều trị, giới khoa học đang nghiên cứu khả năng chế tạo da nhân tạo.

Về lý thuyết, da nhân tạo phải được cơ thể chấp nhận, có các tế bào da để thay thế những mô đã mất, có khả năng phân hủy dần dần sau khi lớp da mới mọc lên, đủ dai và khỏe để chống chịu mọi lực tác động từ bên ngoài.

Hanna Wendt, một nhà nghiên cứu thuộc Đại học Y khoa Hannover ở Đức, khẳng định nhiều loại da nhân tạo đã ra đời, nhưng không loại nào đáp ứng được mọi yêu cầu nêu trên. Vì thế Wendt và các đồng nghiệp của bà nghĩ tới việc sử dụng tơ nhện để chế tạo da nhân tạo.

Tơ nhện là vật liệu bền nhất trong tự nhiên. Nó cũng có nhiều giá trị y học, như chống viêm nhiễm, cầm máu, làm lành vết thương.

Độ bền và co giãn phi thường của tơ nhện là những nhân tố quan trọng đối với mọi hình thức cấy ghép. Khác với tơ tằm, tơ nhện không gây nên những phản ứng đào thải của cơ thể người.

Sau nhiều thử nghiệm, nhóm của Wendt nhận thấy tế bào da có thể phát triển trên tơ nhện nếu được cung cấp dưỡng chất, không khí và nhiệt độ hợp lý. Từ những tế bào đó họ có thể tạo nên mảng da nhân tạo.

Hiện tại việc sản xuất da nhân tạo từ tơ nhện trên quy mô công nghiệp là điều không tưởng, bởi con người không thể thu hoạch lượng tơ nhện lớn. Wendt cho rằng trong tương lai, các nhà khoa học sẽ tìm ra cách chế tạo tơ nhện nhân tạo với những đặc tính giống hệt tơ nhện tự nhiên. Nhiều cơ sở nghiên cứu đang tìm hiểu công nghệ chế tạo tơ nhện nhân tạo.

Vật liệu siêu bền từ tơ nhện

Ảnh: vinnova.se.

Tơ nhện vốn đã cứng và nhẹ hơn thép, song giờ đây các nhà khoa học lại tìm ra cách tăng độ cứng của nó lên ba lần bằng cách cho thêm một lượng nhỏ kim loại.

Kỹ thuật này có thể giúp chúng ta tạo ra loại sợi siêu cứng và các vật liệu cao cấp trong lĩnh vực y tế (xương và gân nhân tạo).

“Nó cũng giúp chúng tôi sản xuất chỉ siêu bền dành cho các ca phẫu thuật”, Seung-Mo Lee, một chuyên gia của Viện nghiên cứu Max Planck về cấu trúc vật lý vi mô (Đức), phát biểu.

Lee và cộng sự phát hiện ra rằng việc bổ sung kẽm, titan và nhôm vào tơ nhện sẽ giúp nó tăng độ cứng và khả năng dát mỏng. Nhóm nghiên cứu phủ một lớp kim loại cực mỏng bên ngoài sợi tơ nhện và tạo điều kiện để một số ion kim loại xâm nhập vào sợi. Sau khi lọt vào bên trong, ion kim loại sẽ tương tác với cấu trúc protein của tơ.

Lee cho biết ông sẽ thử cho thêm một số chất khác như Teflon (một loại polymer nhân tạo), để xem chúng có giúp tơ nhện cứng và dai hơn hay không. Trước đó, một số nghiên cứu cho thấy phân tử kim loại tồn tại trong những phần cứng nhất trên cơ thể vài loài côn trùng. Chẳng hạn, hàm của châu chấu và kiến xén lá đều chứa nhiều kẽm. Kim loại này giúp hàm của chúng cứng và dai.

Giới khoa học đã chú ý tới tơ nhện từ lâu song sản xuất nó ở quy mô lớn không phải việc dễ dàng, vì nhện có xu hướng ăn thịt nhau nếu sống trong điều kiện nuôi nhốt. Do đó, nhiều chuyên gia vật liệu đã tìm kiếm cách chế tạo tơ mà không cần nhện bằng cách bắt chước kỹ thuật xe tơ của chúng.

Sự kỳ diệu của mạng nhện trong tự nhiên

Mỗi loài nhện lại có những kiểu dệt riêng tạo nên những chiếc mạng với muôn hình kiểu cách và kích cỡ.

Mạng nhện bạc argiope tại La Selva, Costa Rica.

Mạng nhện tại Australia.

Mạng nhện hình cầu ở Eagle Lake, Texas, Mỹ.

Giọt nước mưa đọng lại trên mạng nhện ở Fairview, North Carolina, Mỹ.

Mạng nhện võng xuống bởi những giọt sương mai gần Eagle Lake, Texas, Mỹ.

Mạng nhện Ogulnius ở Khu bảo tồn thiên nhiên Cuyabeno, Ecuador.

Mạng nhện bị rách ở Công viên Glimmerglass, New York, Mỹ.

Con nhện gai miệt mài dệt nên chiếc mạng của mình tại Parrita, Costa Rica.

 

 Bí mật trong sợi tơ nhện

 

Nhện giăng tơ với những kiểu cách khác nhau hay chính đặc tính trong sợi tơ nhện mới mang lại hiệu quả? Bí mật về chiếc mạng "chết người" của nhện lại nằm ở cả vật liệu lẫn cách triển khai, các nhà nghiên cứu Mỹ tuyên bố.

"Nhện độc đáo ở chỗ chúng chăng tơ phục vụ nhiều mục đích sinh tồn khác nhau", Todd Blackledge, giáo sư sinh học tại Đại học Akron ở Ohio, nói. "Điều này đã tạo nên sự tiến hóa trong bộ công cụ chăng tơ đa dạng".

Blackledge và cộng sự đã tập trung tìm hiểu tơ của nhện đen bởi loài nhện độc này có những mạng lưới điển hình. Nhện đen nằm gần gốc của cây tiến hoá trong dòng họ nhện chăng tơ Theridiidae.

Nhện đen sử dụng tơ chắc như thép được bao phủ keo dính để bẫy mồi. Sau đó chúng buộc mồi bằng sợi tơ co dãn hơn. Trong khi đó, một loại tơ kéo siêu khoẻ tạo nên khung đỡ và đường dây trong mạng lưới. Loại tơ này cũng được phủ những giọt keo dính như cao su để tạo nên những "chân dính" - đường dây gắn xuống mặt đất.

Những con mồi bị dính phải chân dính đó coi như không còn hy vọng. "Chân dính được gắn xuống mặt đất với một sức căng nhỏ khiến nó dễ dàng bứt lên không trung khi con mồi bị dính vào", Blackledge nói. "Khi đó con mồi sẽ không còn điểm tựa để chống cự".

Tiếp đến, con nhện sẽ buộc mồi bằng một loại tơ xoắn dẻo và mềm hơn và đưa vào trong chiếc lưới khoẻ như thép. Không còn khả năng chống cự, con mồi sẽ bị giết chết và ăn thịt.

Blackledge và cộng sự đã thu thập 25 mạng nhện của 7 con nhện đen khác nhau. Họ đặt các mạng nhện trên một tấm bảng và sử dụng những máy đo để nghiên cứu đặc tính của sợi tơ. Họ tìm thấy bí mật trong sức dai hay sức bền của các sợi tơ nằm ở chất axit amino trong các thớ sợi: Sức mạnh của tơ kéo nằm ở axit amino kết hợp cùng tinh thể tạo nên những protein cứng và khoẻ. Trong khi đó, tơ xoắn được làm từ những chuỗi protein cuộn tròn khiến nó có thể đàn hồi và co dãn.

Các nhà khoa học hy vọng đặc điểm kỳ diệu từ những chiếc mạng nhện có thể giúp tạo nên vật liệu tổng hợp phục vụ con người trong tương lai.