Vi khuẩn có thể… thở ra điện nhờ một phân tử bí mật

Đối với các vi khuẩn không có miệng, không có phổi, việc thở hơi phức tạp hơn một chút so với con người. Chúng ta hít vào khí oxygen và thở ra khí carbon dioxide. Vi khuẩn geobacter – một chi vi khuẩn sống đầy trong nước ngầm – nuốt chất thải hữu cơ và “thở” ra các electron, tạo ra một dòng điện rất nhỏ.

Các electron chất thải này luôn cần có một nơi nào đó để đến (thường là xâm nhập vào các khoáng chất dưới đất như là oxide sắt), và geobacter có một dụng cụ đặc biệt để đảm bảo chúng xâm nhập được vào các khoáng chất đó.

Giáo sư dự khuyết Nikhil Malvankar của Viện Khoa học Vi sinh của Trường đại học Yale, Mỹ, cho biết geobacter thở bằng một ống thở khổng lồ, lớn gấp hàng trăm lần kích thước của chính vi khuẩn đó. Ống thở này được gọi là dây nano. Mặc dù các sợi dẫn điện rất mảnh này nhỏ hơn 100.000 lần so với đường kính của một sợi tóc người nhưng chúng hoàn toàn có thể vận chuyển các electron suốt chiều dài, dài gấp hàng trăm đến hàng nghìn lần chiều dài của một vi sinh vật geobacter. Nhờ đó, geobacter nằm trong số những máy thở ấn tượng nhất trên Trái Đất. “Bạn không thể thở ra xa 300 mét đúng không nào?”– Giáo sư Malvankar nói – nhưng geobacter có thể làm được.

Vào bất cứ lúc nào, hàng tỷ vi khuẩn luôn sẵn sàng truyền điện bên dưới đáy biển. Trong một nghiên cứu vừa công bố ngày 17/8, Giáo sư Malvankar và các đồng nghiệp đã mô tả cách kết hợp năng lượng đó vào một lưới điện vi sinh vật có thể sử dụng được.

Nhờ các kỹ thuật kính hiển vi hiện đại, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra “phân tử bí mật” để geobacter thở qua một khoảng cách cực kỳ xa mà trước đây chưa từng thấy ở bất kỳ vi khuẩn nào. Nhóm nghiên cứu cũng thấy rằng khi kích thích các nhóm geobacter bằng điện trường thì các vi sinh vật này dẫn điện hiệu quả hơn 1.000 lần so với chúng tự dẫn điện một cách tự nhiên.

Theo nhóm nghiên cứu, hiểu được các thích ứng bẩm sinh này là bước quyết định để biến geobacter thành các pin sống, biết thở. 

Một vi sinh vật gây sốc

Không đâu xa, chỉ cần ở các khu nhà ở, nơi mà đất nghèo oxygen và úng nước, geobacter có thể sống sót trong các môi trường khắc nghiệt mà rất ít các vi sinh vật khác có thể sống được. Các dây nano giúp chúng thở được trong môi trường không có oxygen và cũng chính nhờ các dây nano này mà geobacter sống được trong đất, nơi các thụ thể electron như oxide sắt vô cùng hiếm. 

Tuy nhiên, các nhóm geobacter nuôi cấy trong phòng thí nghiệm không phải lúc nào cũng có điều kiện thuận lợi được sống trong môi trường dồi dào khoáng chất. Trong một nghiên cứu trước đây, nhóm của Giáo sư Malvankar phát hiện ra rằng vi khuẩn lưu huỳnh tía trong phòng thí nghiệm có một mẹo sống sót rất thông minh khác khi tiếp xúc với một điện cực nhỏ hoặc một đĩa dẫn điện. Khi bị kích thích bởi điện trường, các vi sinh vật này co cụm lại thành các màng sinh học đặc, là các tập hợp có kết nối với nhau gồm hàng trăm cá thể vi sinh vật, đẩy các electron đi qua một mạng lưới đơn được chia sẻ giữa các màng sinh học này. 

Giáo sư Malvakar nói “chúng xếp chồng lên nhau như các căn hộ cao tầng, cao đến hàng trăm tầng, và chúng đều có thể chia sẻ cùng một lưới điện, liên tục vận chuyển các electron”.

Câu hỏi lớn đối với nhóm nghiên cứu là làm thế nào mà các vi sinh vật ở “tầng cao thứ 100” – như cách gọi của nhóm – lại có thể bắn các electron xuống tận đáy của tòa nhà rồi còn lan ra xa qua một dây nano. Chúng thở ra các electron đi xa gấp hàng nghìn lần chiều dài cơ thể của chúng. Những khoảng cách xa như vậy là chưa từng thấy bao giờ trong hoạt động thở của vi sinh vật. Giáo sư Malvankar nhấn mạnh khả năng này của geobacter cũng kỳ lạ không kém sức sống mãnh liệt của chúng trong các môi trường khắc nghiệt.

Để khám phá ra những bí mật của dây nano, nhóm nghiên cứu đã phân tích cách sống của geobacter trong phòng thí nghiệm bằng hai kỹ thuật soi hiển vi tiên tiến. Một là soi kính hiển vi lực nguyên tử có độ phân giải cao, có thể thu thập thông tin chi tiết về cấu trúc của dây nano bằng cách chạm vào bề mặt của dây bằng một thiết bị do thám cực nhạy. Hai là kỹ thuật quang phổ nano hồng ngoại, giúp các nhà nghiên cứu xác định các phân tử đặc biệt trong dây nano dựa vào cách chúng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại chiếu vào. Bằng hai kỹ thuật này, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy “vân tay độc nhất vô nhị” của mỗi acid amin trong các protein tạo nên dây nano đặc biệt của geobacter.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng khi bị kích thích bởi một điện trường, geobacter sinh ra một loại dây nano trước đây chưa ai biết, được tạo ra từ protein OmcZ. Protein này tạo ra các dây nano dẫn điện hiệu quả gấp 1.000 lần so với dây nano thông thường mà geobacter tạo ra trong đất. Nhờ đó các vi sinh vật này gửi được các electron đi xa không ngờ.

Giáo sư Malvankar nói “người ta đã biết rằng vi khuẩn có thể sinh ra điện nhưng không ai biết cấu trúc phân tử đó. Cuối cùng thì chúng tôi đã tìm ra được phân tử này”.

Pin sống, pin thở

Các nhà nghiên cứu đã dùng các nhóm geobacter để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ trong hơn mười năm qua. Một ưu điểm lớn của các pin vi sinh vật này là tuổi thọ của chúng. Vi khuẩn có thể tự sửa chữa và sinh sản gần như mãi mãi, tạo ra một nguồn sạc điện nhỏ nhưng không ngừng. Trong một thí nghiệm năm 2008 của hải quân Mỹ, các nhà nghiên cứu đã dùng pin geobacter để cấp điện cho một chiếc phao thời tiết nhỏ trên sông Potomac ở Washington D.C, Mỹ trong hơn 9 tháng mà pin không hề có dấu hiệu yếu đi. Tuy nhiên, nguồn điện mà các pin này cung cấp vô cùng nhỏ (phao của hải quân chỉ dùng khoảng 36 milliwatt, tương đương chưa đến 1/1000 watt) làm giới hạn loại thiết bị điện tử mà pin được dùng.

Với nghiên cứu mới lần này, các nhà khoa học đã biết làm thế nào để kiểm soát các dây nano, làm cho chúng khỏe hơn và dẫn điện tốt hơn. Thông tin này cũng giúp cho việc sản xuất thiết bị điện tử sinh học vừa dễ vừa rẻ hơn, và hy vọng rằng sẽ mở ra một thế hệ thiết bị mới thân thiện với môi trường, đó là pin dùng năng lượng vi khuẩn.

Vẫn còn xa mới đến ngày chúng ta có thể xạc chiếc iPhone của mình bằng pin geobacter, nhưng năng lượng từ lưới điện vi sinh dưới chân chúng ta đã trở nên dễ sử dụng hơn.