Ảnh chụp hiển vi điện tử truyền của tế bào Geobacter sulfurreducens (màu gỉ sắt) đang tạo ra một mạng sợi protein li ti. (Ảnh: Anna Klimes và Ernie Carbone, UMass Amherst)
Các nhà nghiên cứu ở Mĩ cho biết họ vừa phát hiện ra một hiện tượng mới trong lĩnh vực sinh học: sự dẫn điện kiểu kim loại theo những sợi protein. Kết quả trên cho thấy có khả năng tạo ra những chất liệu dẫn điện không đắt tiền bằng vi sinh vật – cái có thể làm “cách mạng hóa” ngành công nghệ nano và điện tử học nano.
Derek Lovley và các đồng nghiệp thuộc trường Đại học Massachusetts ở Amherst đã thực hiện khám phá của họ trong những mạng “sợi vi khuẩn”. Đây còn gọi là “dây nano vi khuẩn” vì chúng dẫn electron dọc theo chiều dài của chúng. Những dây này được tạo ra tự nhiên bởi một số vi khuẩn và rộng chừng 3-5mm, và dài tới hàng chục micromet. Những sợi đó kết nối vi khuẩn lại với nhau thành những đám gọi là sinh-màng vi khuẩn.
Đội của Lovley đã khảo sát các dây nano tạo ra bởi vi khuẩn Geobacter sulfurreducens. Các nhà nghiên cứu đã đo độ dẫn điện ở các dây vào khoảng 5 mS cm–1, giá trị có thể sánh với độ dẫn của những cấu trúc nano kim loại hữu cơ tổng hợp thường dùng trong ngành công nghiệp điện tử. Các dây trên còn dẫn điện trên những khoảng cách centimet, gấp hàng nghìn lần chiều dài của một vi khuẩn.
Lần đầu tiên quan sát thấy ở sinh-màng
Các nhà nghiên cứu khẳng định đây là lần đầu tiên sự dẫn điện kiểu kim loại được tìm thấy trong một chất liệu sinh học. Thật vậy, người ta thường nghĩ các sinh-màng vi khuẩn là chất cách điện.
Geobacter là những sinh vật kị khí sinh sống trong những lớp trầm tích dưới nước và trong đất trên khắp thế giới. Chúng “thở” bằng cách truyền electron sang sắt oxide tìm thấy trong đất. Điều này có nghĩa là chúng còn có thể dùng để làm sạch nước ngầm tích tụ những chất độc hại như các kim loại độc và kim loại phóng xạ. “Vi khuẩn trên sử dụng oxide sắt theo kiểu động vật sử dụng oxygen”, thành viên đội Nikhil Malvankar phát biểu. Ông cho biết Geobacter thở với những dây nano dẫn điện của nó tương tự như một người thở qua một ống thở dài 10km.
Trong phòng thí nghiệm, Geobacter có thể lớn lên trên những điện cực thay vì trên oxide sắt và những sinh-màng dày dẫn điện. Lovley và các đồng nghiệp đã khai thác lợi thế của thực tế này trong những thí nghiệm của họ, trong đó họ quan sát những mạng lưới dây nano phân tán khắp sinh-màng lớn lên trong một tế bào nhiên liệu vi khuẩn với acetate là chất cho electron. Chất cho electron này được biến đổi sao cho anode của tế bào nhiên liệu – cái tác dụng như một chất nhận electron để giúp sinh màng lớn lên – cấu tạo gồm hai điện cực bằng vàng cách nhau một khe 50 µm không dẫn điện.
Transistor sinh học
Khi thêm một điện cực thứ ba vào hệ, đội nghiên cứu phát hiện thấy sinh-màng có thể tác dụng như một transistor sinh học có thể tắt mở bằng cách tác dụng điện áp. “Ngoài ra, độ dẫn điện của sinh-màng có thể điều chỉnh đơn giản bằng cách thay đổi nhiệt độ - giống hệt như cái xảy ra trong bất kì chất liệu kim loại nào”, thành viên đội Mark Tuominen nói.
Sử dụng một kính hiển vi lực nguyên tử với một đầu nhọn dẫn điện, các nhà nghiên cứu quan sát thấy dòng điện giữa anode và cathode tăng lên khi sinh-màng lớn lên trên các điện cực. Kính hiển vi laser quét đồng tiêu còn cho thấy các tế bào đó tạo nên một cái màng trải ngang qua khe không dẫn điện trên. Cái cầu này đã cho phép đội nghiên cứu đo độ dẫn của sinh-màng.
“Sự dẫn điện tầm xa, kiểu kim loại, dọc theo những sợi protein như thế là một chuyển biến kiểu mẫu trong sinh học làm thay đổi cách chúng ta nghĩ về những vi sinh vật tương tác như thế nào với môi trường của chúng và tương tác với nhau”, Lovley nói. “Những cấu trúc trên còn có thể tiếp xúc với những linh kiện điện tử, như chúng tôi đã chứng minh”.
Những chiến lược bắt năng lượng mới
Những kết quả trên có thể ánh sáng tới thiết kế của những chiến lược bắt năng lượng, thí dụ sự biến đổi sinh khối và chất thải thành methane hoặc điện năng, Lovley khẳng định. Nhìn xa về tương lai, khám phá trên có thể dẫn tới sự phát triển của những chất liệu điện tử mới – hoặc tạo ra bởi bản thân vi sinh vật hoặc được xử lí kĩ thuật dựa trên những kiến thức thu từ những chất liệu sinh học.
Đội Massachusetts hiện đang tìm kiếm cơ chế của sự dẫn kiểu kim loại nêu trên. “Một trong những chiến lược tương lai của chúng tôi là biến đổi có hệ thống thành phần amino-acid của các sợi protein và xuất hiện xem điều này ảnh hưởng như thế nào đến sự dẫn điện của các dây nano vi khuẩn”, Lovley tiết lộ.
Nguồn: physicsworld.com
