Bằng cách làm sáng tỏ những tương tác ở cấp độ phân tử tạo nên các đặc tính phi thường của tơ nhện, các nhà nghiên cứu đã hé lộ những nguyên lý có thể truyền cảm hứng cho vật liệu tiên tiến trong tương lai, đồng thời giúp hiểu rõ hơn nhiều quá trình sinh học vượt xa… một mạng nhện.
Các nhà khoa học đã xác định được những lực hút hóa học cực nhỏ giúp tơ nhện đạt được sự cân bằng hiếm có: cực kỳ bền nhưng vẫn rất dẻo dai. Việc lý giải cách vật liệu này “liên kết” với nhau ở quy mô phân tử có thể mở đường cho việc thiết kế các loại sợi sinh học mô phỏng tự nhiên, ứng dụng trong linh kiện hàng không, trang phục bảo hộ và y sinh. Đáng chú ý hơn, các cơ chế tự tổ chức tương tự cũng có thể cung cấp manh mối về những bệnh thần kinh như Alzheimer.
Nghiên cứu được công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , là kết quả hợp tác giữa King’s College London và Đại học Bang San Diego (SDSU).
Thay vì xem tơ nhện như một “vật liệu bí ẩn” để sao chép nguyên xi, nhóm nghiên cứu tập trung tìm ra những “quy luật” nền tảng mà tự nhiên sử dụng – các nguyên lý có thể áp dụng để tạo ra thế hệ vật liệu hiệu năng cao, bền vững hơn trong tương lai.
Hé lộ thiết kế phân tử của tơ nhện
Tơ nhện được cấu tạo từ protein – những chuỗi dài hình thành từ các axit amin. Nghiên cứu cho thấy, bên trong các protein này, một số axit amin tương tác với nhau như những “miếng dán” phân tử. Các liên kết lặp lại nhưng có thể đảo ngược này giúp protein tụ lại, sắp xếp có trật tự và cuối cùng “khóa chặt” thành một cấu trúc vừa chịu được lực kéo lớn, vừa không mất đi độ linh hoạt.
Giáo sư Chris Lorenz, chuyên gia khoa học vật liệu tính toán tại King’s College London và là người dẫn dắt nhóm nghiên cứu tại Anh, cho biết:
Tiềm năng ứng dụng là vô cùng rộng – từ quần áo bảo hộ siêu nhẹ, linh kiện máy bay, cấy ghép y sinh phân hủy sinh học, cho tới robot mềm đều có thể hưởng lợi từ các loại sợi được thiết kế dựa trên những nguyên lý tự nhiên này.
Tơ kéo (dragline silk) của nhện nổi bật trong thế giới vật liệu tự nhiên vì bền hơn thép nếu so theo trọng lượng và dai hơn Kevlar – vật liệu dùng để sản xuất áo chống đạn. Nhện sử dụng loại tơ này để giăng lưới và nâng đỡ chính cơ thể mình, và suốt nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tìm cách tái tạo những đặc tính phi thường đó.
Loại tơ này được tạo ra bên trong tuyến tơ của nhện, nơi protein tồn tại dưới dạng chất lỏng đậm đặc gọi là “silk dope” . Khi nhện kéo tơ, chất lỏng này sẽ chuyển hóa thành sợi rắn.
Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng protein trước tiên tụ lại thành các giọt giống chất lỏng trước khi biến thành sợi, nhưng chuỗi bước phân tử chính xác kết nối sự chuyển pha này với cấu trúc cuối cùng của tơ vẫn là điều bí ẩn – cho đến nay.
Axit amin then chốt quyết định sự hình thành tơ
Nhóm nghiên cứu liên ngành gồm các nhà hóa học, sinh vật lý học và kỹ sư đã sử dụng nhiều công cụ tiên tiến như mô phỏng động lực học phân tử, mô hình cấu trúc AlphaFold3 và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). Kết quả cho thấy, hai axit amin arginine và tyrosine tương tác với nhau để kích hoạt quá trình tụ cụm ban đầu của protein.
Điều quan trọng là những tương tác này vẫn tiếp tục tồn tại trong suốt quá trình hình thành sợi, góp phần tạo nên cấu trúc nano phức tạp – yếu tố quyết định hiệu suất cơ học vượt trội của tơ nhện.
“Đây là lời giải thích ở cấp độ nguyên tử cho việc các protein vô trật tự có thể tự lắp ráp thành những cấu trúc có trật tự cao và hiệu năng vượt trội,” Lorenz bổ sung.
Giáo sư Gregory Holland, chuyên gia hóa học vật lý và phân tích tại SDSU, người dẫn dắt nhóm nghiên cứu tại Mỹ, cho biết một trong những điều bất ngờ nhất là mức độ tinh vi về mặt hóa học của quá trình này.
Điều khiến chúng tôi ngạc nhiên là tơ nhện – thứ thường được xem là một sợi tự nhiên đơn giản và đẹp đẽ – thực chất lại dựa vào một ‘mẹo’ phân tử cực kỳ tinh vi. Những kiểu tương tác mà chúng tôi phát hiện cũng xuất hiện trong các thụ thể dẫn truyền thần kinh và cơ chế truyền tín hiệu hormone.
Vì vậy, phát hiện này có thể mở rộng sang cả lĩnh vực sức khỏe con người. Cách protein tơ trải qua quá trình tách pha rồi hình thành cấu trúc giàu β-sheet phản ánh những cơ chế chúng ta quan sát thấy trong các bệnh thoái hóa thần kinh như Alzheimer. Nghiên cứu tơ nhện mang lại cho chúng ta một hệ thống ‘sạch’, đã được tiến hóa tối ưu, để hiểu cách kiểm soát quá trình tách pha và hình thành β-sheet.
