Gần đây các nhà khoa học tại Đại học Massachusetts Amherst đã công bố phát minh một dây nano mỏng hơn 10.000 lần so với tóc người có thể được nuôi cấy với giá rẻ từ các vi khuẩn thông thường. Chúng được tích hợp khả năng “ngửi” một loạt các chất hóa học — bao gồm cả những chất được tiết ra từ những người bị các tình trạng bệnh khác nhau, như bệnh hen suyễn và bệnh thận. Hàng ngàn dây được tích hợp khả năng đặc biệt này, mỗi dây phát ra một loại hóa chất khác nhau, có thể được xếp lớp trên các cảm biến nhỏ và đeo được. Như vậy các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe sẽ có được một công cụ chưa từng có để theo dõi các biến chứng tiềm ẩn. Vì những dây này được vi khuẩn phát triển nên chúng là chất hữu cơ, có thể phân hủy sinh học và "xanh" hơn nhiều so với bất kỳ dây nano vô cơ nào.

Để làm được điều này, hai vị giáo sư của UMass Amherst là Derek Lovley, giáo sư Vi sinh học và Jun Yao, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính đã quan sát trên chính mũi của họ.

Giáo sư Yao cho biết: “Mũi người có hàng trăm thụ thể, mỗi thụ thể nhạy cảm với một phân tử cụ thể. Chúng nhạy cảm và hiệu quả hơn rất nhiều so với bất kỳ thiết bị cơ khí hay hóa học nào có thể được chế tạo. Chúng tôi tự hỏi làm thế nào chúng tôi có thể tận dụng thiết kế sinh học thay vì dựa vào vật liệu tổng hợp”.

Nói cách khác, nhóm nghiên cứu đã tự hỏi liệu họ có thể làm việc với tự nhiên để phát hiện ra bệnh tật hay không — và họ đã làm được điều đó.

Câu trả lời bắt đầu với một loại vi khuẩn được gọi là Geobacter sulfurreducens, mà trước đây giáo sư Lovley và giáo sư Yao đã sử dụng để tạo ra một màng sinh học có khả năng sản xuất điện liên tục và lâu dài từ mồ hôi. G. sulfurreducens’ có khả năng tự nhiên ấn tượng là phát triển các dây nano nhỏ dẫn điện.

Nhưng đây là một loại vi khuẩn khó tính, cần những điều kiện cụ thể để phát triển, khiến nó khó sử dụng trên quy mô lớn. G.S Lovley nói: “Những gì chúng tôi đã làm là lấy 'gen dây nano' - được gọi là pilin - ra khỏi G. sulfurreducens và ghép nó vào DNA của Escherichia coli, một trong những vi khuẩn phổ biến nhất trên thế giới”.

Sau khi gen pilin được loại bỏ khỏi G. sulfurreducens, hai giáo sư và nhóm đã sửa đổi nó để bao gồm một peptit cụ thể, được gọi là DLESFL, cực kỳ nhạy cảm với amoniac - một chất hóa học thường có trong hơi thở của những người mắc bệnh thận. Sau đó, khi họ ghép gen pilin đã biến đổi vào DNA của E. coli, vi khuẩn đã biến đổi gen này mọc lên các dây nano nhỏ có lông cứng với peptide cảm nhận amoniac. Sau đó, nhóm đã thu hoạch các dây nano nhạy cảm với amoniac này và chế tạo chúng thành một cảm biến.

Ông Yassir Lekbach, đồng tác giả chính của bài báo và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về vi sinh học tại UMass Amherst, cho hay: “Việc biến đổi gen các dây nano khiến chúng phản ứng nhanh hơn với amoniac gấp 100 lần so với ban đầu. Các dây nano do vi khuẩn sản xuất hoạt động như một cảm biến tốt hơn nhiều so với các cảm biến được mô tả trước đây được chế tạo bằng dây nano silicon hoặc kim loại truyền thống”.

Và các cảm biến mới này không chỉ giới hạn đối với bệnh amoniac và bệnh thận. Ông Toshiyuki Ueki, đồng tác giả chính khác của bài báo và giáo sư nghiên cứu về vi sinh học tại UMass Amherst, cho rằng “có thể thiết kế các peptide độc đáo, mỗi peptide liên kết cụ thể với một phân tử. Vì vậy, khi xác định được nhiều phân tử đánh dấu do cơ thể thải ra và đặc trưng cho một bệnh cụ thể, chúng ta có thể tạo ra các cảm biến kết hợp hàng trăm dây nano đánh hơi hóa chất khác nhau để theo dõi tất cả các loại tình trạng sức khỏe”.

Một mô hình mới cho kỹ thuật điện

Các dây nano truyền thống, được làm từ silicon hoặc sợi carbon, có thể có độc tính cao do bản thân chúng là chất gây ung thư - và cuối cùng trở thành chất thải điện tử không phân hủy được. Nguyên liệu thô của họ có thể đòi hỏi một lượng lớn năng lượng và hóa chất đầu vào để thu hoạch và chế biến, cũng như để lại tác động môi trường sâu sắc. Nhưng vì dây nano của G.S Lovley và Yao được phát triển từ vi khuẩn thông thường nên chúng bền vững hơn nhiều.

G.S Yao chia sẻ: “Một trong những điều thú vị nhất về hướng nghiên cứu này là chúng tôi đang đưa kỹ thuật điện theo một hướng mới. Thay vì dây làm từ nguồn nguyên liệu khan hiếm không phân hủy sinh học, những dây nano protein này có thể giúp bạn sử dụng thiết kế di truyền của sự sống để xây dựng một nền tảng ổn định, linh hoạt, tác động thấp và tiết kiệm chi phí”.

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và được phát triển bởi Viện Khoa học Đời sống Ứng dụng (IALS) tại UMass Amherst, nơi kết hợp chuyên môn sâu và liên ngành từ 29 phòng ban để biến nghiên cứu cơ bản thành những đổi mới có lợi cho sức khỏe và hạnh phúc của con người.

Như Ý