Sự Kỳ Diệu Của Tơ Nhện

Con người luôn nghĩ rằng cái gì khỏe phải to, nhưng tơ nhện lại chứng minh điều ngược lại. Sợi tơ với độ dày 2 micromet này có thể chịu một vật nặng khoảng... 1g, tương đương với 1 sợi chỉ dày 1 - 2mm chịu một trong lượng nặng 65kg.

Vì sao tơ nhện lại bền?

Tơ nhện được cấu tạo từ protein và amino acid (acid amin). Các nhà khoa học đã từng biết đến sức dai hay sức bền của các sợi tơ nằm ở chất amino acid trong các thớ sợi: sức mạnh của tơ kéo nằm ở amino acid kết hợp cùng tinh thể tạo nên những protein cứng và khỏe; trong khi đó, tơ xoắn được làm từ những chuỗi protein cuộn tròn khiến nó có thể đàn hồi và co dãn.

Theo nghiên cứu mới được công bố của các nhà nghiên cứu tại Khoa kỹ nghệ môi trường và dân sự thuộc Viện Kỹ thuật Massachusetts - Hoa Kỳ (MIT), sức bền của vật liệu sinh học như tơ nhện nằm ở đặc trưng cấu trúc hình học của các protein, gồm nhiều mối liên kết yếu giữa các nguyên tử hydro cùng phối hợp với nhau để chịu đựng những tác động như sức căng và sức nặng, chứa đựng sức bền tiềm tàng.

Cấu trúc này làm cho vật chất tự nhiên tuy nhẹ nhưng vững chắc như thép ngay cả khi liên kết hydro giữa các sợi tơ với nhau là rất yếu, yếu hơn từ 100 đến 1.000 lần so với liên kết trong tinh thể kim loại hoặc ngang bằng với liên kết cộng hóa trị trong sợi nhân tạo Kevlar.

Từ việc nghiên cứu độ chắc và độ bền vô địch của tơ nhện, một số nhà khoa học đã ước mơ hiện thực hóa một mục tiêu, đó là chế tạo được tơ nhện nhân tạo. Các nhà khoa học đã đưa ra những thông tin mới và chính xác về cách cấu trúc protein làm tăng sức bền của vật liệu, giúp các kỹ sư sáng tạo ra những vật liệu mới bắt chước được những sợi tơ nhện mỏng manh nhưng rất bền chắc. Tơ nhện nhân tạo có thể sử dụng để tạo ra các dây chằng và gân nhân tạo, dùng để khâu các vết thương sau khi phẫu thuật, may dù dùng để đáp xuống từ trên cao và dùng trong sản xuất áo chống đạn. Tuy nhiên các nhà khoa học chưa "bắt chước" được cách con nhện nhả tơ.

Giáo sư McKinley và một số học viên sau đại học Nikola Kojic của Đại học Harvard, Khoa công nghệ và khoa học sức khỏe thuộc MIT, đã nghiên cứu tơ của nhện Nephila clavipes, một loại nhện dệt tinh cầu tơ vàng có thể dệt ra một mạng nhện chắc đến nỗi nó có thể bắt được những con chim nhỏ.

Cuối cùng, ông phát hiện ra các con nhện thực chất không phải quay tơ mà thay vào đó, chúng phun ra một chất gel đặc (một muỗng cà phê chất gel có thể tạo nên 10.000 cái mạng nhện.) Sau đó, chúng sử dụng các chân sau cũng như trọng lượng cơ thể và trọng lực để kéo dài chất gel thành các sợi mảnh.

Sau đó ông sử dụng các dụng cụ gọi là dụng cụ đo tốc lực cực nhỏ để nghiên cứu các giọt nhỏ gel - để kiểm tra chất liệu này khi bị lực tác động. Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra độ nhớt của dung dịch tơ nhện bằng cách "cắt" nó hoặc đặt nó giữa hai miếng thủy tinh đang di chuyển với tốc độ nhanh và kiểm tra độ dính của dung dịch tơ nhện bằng cách tách nó ra thành các sợi nhỏ giữa hai tấm kim loại, giống như cách làm kẹo taffy.

Và các nhà khoa học đã phát hiện ra điều diệu kỳ làm cho tơ nhện bền và chắc. Điều diệu kỳ đó xảy ra trong quá trình tơ được phun ra khỏi tuyến sản xuất tơ của nhện, dài ra thành sợi chỉ nhỏ và khô đi. Vì chất lỏng tạo ra phun khỏi bụng nhện qua cơ quan nhả tơ nên nó có tính chất của tinh thể lỏng. Nó là một liên kết các thớ protein khéo léo, giúp các sợi tơ có một độ bền đáng ngạc nhiên.

Sản xuất tơ nhện nhân tạo

Hàng thế kỷ nay, mặc dù nỗ lực không ngừng, song các nhà khoa học cũng chưa thể tìm ra được cách nào có thể sản xuất với số lượng lớn tơ nhện - loại sợi linh hoạt, nhẹ, nhưng khỏe gấp 5 lần thép.

Tơ nhện khỏe gấp 3 lần Kevlar - một chất liệu dựa trên xăng dầu sử dụng làm quần áo chống đạn. Tơ nhện là một trong những chất liệu khỏe nhất trên trái đất có thể được se thành sợi. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng sợi tơ nhện dày 2cm2 có thể chịu được trọng lượng 272.000kg. Thực ra, tính ưu việt của tơ nhện được quan tâm vào giữa thập niên 60 khi các nhà khoa học quân sự tìm những chất liệu mới để bảo vệ người lính trên chiến trường. Sau nhiều năm nghiên cứu, họ đã khám phá ra nhóm nhện Orb có thể cho tơ chất lượng cao gồm 7 loại protein tơ lưu giữ trong tuyến của nhện cho tới khi nhện sẵn sàng nhả tơ. Các nhà nghiên cứu xác định được tơ khỏe nhất là tơ "dây kéo" hay tơ "khung" mà nhện sử dụng chăng trên các trần nhà và đan mạng. Mặc dù biết thế, song không có cách nào sản xuất được số lượng lớn tơ nhện cho tới khi công nghệ gen xuất hiện.

Năm 1990, Hãng Lewis của quân đội Mỹ đã xác định được 2 gen cần thiết để tạo ra những tơ nhện "dây kéo". Với thông tin gen đó, các nhà khoa học ở Bộ tư lệnh sinh hoá Quân đội Mỹ ở Natick (bang Massachusetts), Trường đại học tổng hợp Wyoming và Hãng hóa học DuPont đã cố gắng sử dụng công nghệ gen để sản xuất số lượng protein tơ nhện, nhưng cũng chỉ thành công hạn chế. Sau đó, Hãng công nghệ sinh học Nexia bắt đầu tìm kiếm những protein chất lượng cao khác để sản xuất trong các động vật chuyển gen. Sau 3 năm nghiên cứu, các nhà khoa học Nexia đã tạo được bước đột phá. Họ đã sản xuất được protein tơ nhện chất lượng cao bằng cách đưa các gen tơ nhện vào trong các tế bào tuyến sữa của bò và thận chuột đồng. Sau đó, các nhà khoa học tinh lọc protein và vắt chúng vào trong những ống nhỏ, nơi chúng hình thành sợi tơ siêu khỏe, kết quả là những sợi tơ nhân tạo này khỏe gần bằng tơ nhện tự nhiên.

Nexia đã chính thức công bố phát hiện mới này trên báo Science và kể từ đó, Nexia đã sản sinh ra hàng chục con dê chuyển gen bằng cách đưa gen tơ nhện vào phôi thai dê. Sữa dê chuyển gen sản sinh ra protein tơ trong sữa. Nexia hiện đang muốn thực hiện sản xuất protein tơ nhện trên quy mô công nghiệp.

Việt Hà (tổng hợp)