Một số sinh vật biển, chẳng hạn như trai, tiết ra các protein kết dính cho phép chúng dính vào các bề mặt khác nhau dưới nước biển.
Đặc tính bám dính dưới nước hấp dẫn này đã truyền cảm hứng cho nhiều thập kỷ nghiên cứu để tạo ra các loại keo mô phỏng sinh học để sửa chữa dưới nước hoặc sửa chữa mô sinh học.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu phát hiện ra lỗ hổng bảo mật cho phép kẻ tấn công sử dụng WiFi để nhìn xuyên tường.
Tuy nhiên, các loại keo hiện có thường không có độ bám dính mong muốn, khó sử dụng dưới nước hoặc không tương thích sinh học cho các ứng dụng y tế. Bây giờ, có một giải pháp từ sinh học tổng hợp.
Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật McKelvey thuộc Đại học Washington ở St. Louis đã phát triển một phương pháp sử dụng các vi khuẩn đã được biến đổi gen để tạo ra các thành phần cần thiết cho một loại hydrogel kết dính tương thích sinh học bền như tơ nhện và kết dính như protein chân hến (Mfp), có nghĩa là nó có thể dính vào vô số bề mặt dưới nước.
Nghiên cứu do Fuzhong Zhang, giáo sư năng lượng, môi trường và kỹ thuật hóa học dẫn đầu, đã được công bố trên tạp chí Vật liệu và Giao diện Ứng dụng ACS.
Eugene Kim, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học George Mason, cho biết: “Các nhà nghiên cứu đã cố gắng phát triển chất kết dính có thể hoạt động dưới nước, hoặc thậm chí ngay cả khi chúng bị ướt trong một thời gian dài. Kim là tác giả đầu tiên của bài báo và làm việc trong dự án này với tư cách là nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Đại học Washington của Zhang.
Nhóm nghiên cứu cũng bao gồm Young-Shin Jun, giáo sư kỹ thuật năng lượng, môi trường và hóa học, và Guy Genin, giáo sư kỹ thuật cơ khí Harold và Kathleen Faught.
>> Tham khảo: Chất xúc tác bền, rẻ tiền làm giảm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất amoniac.
Kim cho biết: “Trong một nghiên cứu chứng minh khái niệm trước đây, chúng tôi đã thiết kế vi khuẩn để tạo ra protein chân hến (Mfp) và các biến thể oligomeric của nó. Các biến thể này là các phân tử được tạo thành từ một chuỗi Mfp lặp lại, với các thuộc tính thay đổi dựa trên số lần lặp lại.
“Chúng tôi muốn biết liệu sinh học tổng hợp có thể giúp bám dính dưới nước hay không, một nhiệm vụ đầy thách thức đối với vật liệu tổng hợp.”
Vào năm 2018, phòng thí nghiệm của Zhang đã chỉ ra rằng Mfp do vi khuẩn biến đổi gen tạo ra có các đặc tính kết dính dưới nước tương tự như Mfps tự nhiên — và họ có thể tạo ra các oligomer Mfp thậm chí còn dính hơn.
Mặc dù Mfp vi khuẩn cực kỳ dính, nhưng chúng rất khó xử lý dưới nước vì các phân tử protein nhanh chóng khuếch tán sau khi được thêm vào nước.
Kim cho biết: “Khi ở dưới nước, chúng tôi phải đảm bảo chất kết dính Mfp có thể nằm trên bề mặt trong quá trình sửa chữa.
Một giải pháp phổ biến để ngăn chặn sự khuếch tán là tạo công thức protein Mfp kết dính thành hydrogel. Hydrogel phải mạnh, hoặc lý tưởng nhất là mạnh hơn lực kết dính.
Tuy nhiên, việc tạo ra một vật liệu vừa bền vừa kết dính là vô cùng khó khăn vì thường có sự đánh đổi giữa hai đặc tính này, Kim cho biết. “Nhiều chất kết dính lấy cảm hứng từ Mfp rất yếu.
>> Tham khảo: Giảm thiểu tác động môi trường của thuốc diệt cỏ.
Khi bạn sử dụng chúng để dán hai bề mặt dưới nước, keo sẽ dính vào từng bề mặt trong số hai bề mặt, nhưng sẽ vỡ ra, giống như việc tách một chiếc bánh quy Oreo và để lại kem ở cả hai mặt.”
Đó là nơi tơ nhện xuất hiện.
Trong nhiều năm, phòng thí nghiệm của Zhang cũng đã sử dụng sinh học tổng hợp để thiết kế và sản xuất protein tơ nhện. Đầu năm nay, họ đã tạo ra một loại protein lai giữa lụa-amyloid cứng hơn thép và cứng hơn Kevlar. Độ bền cao của hỗn hợp tơ-amyloid này — giúp giữ cho vật liệu nguyên vẹn — chính là thứ cần thiết cho chất kết dính của chúng.
Nhóm nghiên cứu đã tích hợp protein dạng tơ-amyloid với Mfp và sử dụng phương pháp sinh học tổng hợp để tổng hợp một loại protein ba lai có lợi ích là cả độ bám dính mạnh của Mfp và độ bền cao của tơ nhện. Sử dụng protein tri-hybrid, họ đã chuẩn bị hydrogel kết dính.
Zhang cho biết: “Chúng tôi đã phát triển một nguyên tắc thiết kế cho phép chúng tôi kiểm soát cả sự gắn kết và độ bám dính của hydrogel. “Gel này đặc hơn nước một chút nên bạn có thể dễ dàng sử dụng dưới nước, đặt trên hoặc giữa hai bề mặt.”
Vì chất kết dính dựa trên protein có thể tương thích sinh học và có thể phân hủy sinh học nên phòng thí nghiệm đặc biệt hào hứng với các ứng dụng tiềm năng của nó trong sửa chữa mô. Họ viết trong bài báo rằng loại protein này đặc biệt hấp dẫn đối với việc sửa chữa gân-xương vốn chịu tỷ lệ thất bại cao từ các chiến lược dựa trên chỉ khâu hiện tại.
Jun lưu ý: “Nhện, vi khuẩn, sinh vật biển nhầy nhụa và vết rách vòng quay có rất ít điểm chung. “Thật thú vị khi phòng thí nghiệm của Zhang có thể kết hợp những phần tốt nhất của ba phần đầu tiên và tạo ra vật liệu đàn hồi mới với cấu trúc tinh thể ở quy mô phân tử có thể đóng vai trò là chất kết dính mạnh hơn và linh hoạt hơn. Sẽ còn tuyệt hơn nữa khi chúng tôi có thể sử dụng nó trong chăm sóc y tế để sửa chữa vết thương ở vai.”
>> Tham khảo: Công nghệ gen để loại bỏ cụ thể từng loại tế bào.
Bằng cách kiểm soát vi khuẩn để sửa đổi từng mô típ của protein, bao gồm các bộ phận từ tơ nhện và protein chân vẹm, họ có thể kiểm soát độ bám dính và độ bền của hydrogel, điều chỉnh nó để đáp ứng các yêu cầu cụ thể đối với việc sửa chữa gân-xương và các nhu cầu sửa chữa mô khác.
Genin đặt nghiên cứu vào bối cảnh mối quan hệ phức tạp và lâu đời của con người với vi khuẩn.
“Chúng tôi đã có được vi khuẩn giúp chữa lành vết thương – lần đầu tiên,” Genin nói. “Vi khuẩn khiến tổ tiên của chúng ta phải cắt bỏ tứ chi và giờ đây, lần đầu tiên, chúng ta đã có thể chiếm quyền điều khiển vi khuẩn để tạo ra một loại vật liệu không thể đạt được bằng bất kỳ cách nào khác, với các ứng dụng y sinh bao gồm phẫu thuật vòng quay thực sự khiến các chi hoạt động trở lại.
“Điều này thật tuyệt vời.”
