Tác dụng kháng khuẩn kỳ lạ của cánh chuồn chuồn

Hiểu rõ được các cấu trúc và cơ chế trên bề mặt cánh chuồn chuồn sẽ mở ra rất nhiều ứng dụng cho con người trong nhiều lĩnh vực, từ y tế cho đến công nghệ thực phẩm.

Loại vật liệu với bề mặt có khả năng tự diệt khuẩn đang là đề tài được nghiên cứu phát triển rất mạnh với phạm vi ứng dụng cực kỳ rộng rãi.

Một nhóm nghiên cứu đã sử dụng loại phân tử đặc biệt để làm trơn bề mặt và rối loạn mối liên kết của vi khuẩn nhằm tiêu diệt chúng. Một nhóm khác sử dụng bạc dưới dạng hạt nano để phủ lên bề mặt cần diệt khuẩn. Một nhóm khác nữa có ý tưởng táo bạo hơn, đó là dùng silicon đen để tạo một bề mặt với nhiều cấu trúc nanopillar (bàn chông) có khả năng diệt khuẩn.

Bề mặt cánh chuồn chuồn dưới kính hiển vi.

Trong phương pháp tạo bề mặt bằng silicon đen, chúng ta có một khái niệm được gọi là bề mặt dệt nano (Nano - Textured Surfaces) vốn dĩ đã tồn tại trong môi trường tự nhiên. Cấu trúc nano của silicon đen tương tự như cấu trúc trên cánh của chuồn chuồn. Và bề mặt cánh chuồn chuồn có khả năng diệt khuẩn rất tốt.

Theo nghiên cứu, các bề mặt có cấu trúc "bàn chông" nanopillar sẽ diệt khuẩn bằng cách đâm thẳng và xuyên qua lớp màng tế bào vi khuẩn. Một nhóm các nhà khoa học Úc và Nigeria đã sử dụng công nghệ tích hợp nhiều kính hiển vi để đưa ra lời giải thích chính xác nhất về khả năng diệt khuẩn của cánh chuồn chuồn nói riêng và bề mặt nanopillar nói chung. Kết quả là một cơ chế khá phức tạp đã diễn ra để tiêu diệt vi khuẩn trên bề mặt.

Manh mối nghiên cứu đầu tiên đó là về chiều cao không đồng đều của các gai phân bố trên bề mặt cánh chuồn chuồn, nó khác hẳn với suy nghĩ thông thường trước đây. Đồng thời, quan sát kỹ càng hơn cho thấy, vi khuẩn không tiếp xúc trực tiếp với cái gai của bề mặt nanopillar.

Hình dạng của lớp polymer ngoại bào EPSs.

Thay vào đó, các vi khuẩn tiếp cận và kết nối với bề mặt nanopillar bằng các cấu trúc phân tử do chúng tiết ra được gọi là các "polymer ngoại bào" (EPSs), và những phân tử này giống như một ngón tay được mọc thêm để chạm vào bề mặt tiếp xúc.

Các vi khuẩn sẽ bị tiêu diệt khi di chuyển.

Khi các vi khuẩn tiếp xúc với bề mặt, chúng sẽ sản sinh lực kết dính với các gai trên bề mặt. Các kết dính này có thể gây biến dạng lớp màng ngoài của chúng. Nếu không di chuyển, các vi khuẩn vẫn sẽ không bị ảnh hưởng nhiều. Tuy nhiên, do cấu trúc gai của bề mặt nanopillar, nếu vi khuẩn di chuyển, chúng sẽ bị lực kết dính gây ra vết thương trên bề mặt và rò rỉ chất dinh dưỡng cũng như phá hủy lớp vỏ ngoài của chúng.

Theo mô hình cũ, các gai trên bề mặt nanopillar sẽ đâm trực tiếp vào vi khuẩn và mô hình này được khá nhiều nhà nghiên cứu chấp nhận và xem như là tiêu chuẩn. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một mô hình mới dựa vào kết quả đạt được trong quá trình quan sát các thí nghiệm.

Mô hình mới cho thấy được tính không đồng đều của các gai trên bề mặt cũng như tính hợp lý so với các kết quả thực nghiệm.

Theo mô hình được nhóm đề xuất, các vi khuẩn không tiếp xúc trực tiếp với các gai mà thông qua bề mặt phân tử do chúng tiết ra. Khi các vi khuẩn di chuyển, chúng sẽ bị lực kết dính gây ra các vết thương trên bề mặt bảo vệ và gây rò rỉ phân tử bên trong tế bào dẫn đến vi khuẩn bị tiêu diệt. Đến lúc này, các gai mới đâm vào sâu bên trong tế bào vi khuẩn.

Mô hình cũ và mới cho cơ chế tiêu diệt vi khuẩn của bề mặt nanopillar.

Một trong những hạn chế của nghiên cứu là nhóm chỉ mới thực hiện quan sát thí nghiệm trên tế bào vi khuẩn E.Coli, loại vi khuẩn Gram – âm và có hai lớp màng. Do đó cần có thêm nghiên cứu trên loại vi khuẩn Gram – dương và có 1 màng phủ để so sánh kết quả.

Một hạn chế nữa, là cần thực hiện thêm thí nghiệm trên nhóm vi khuẩn không có khả năng tạo lớp màng "polymer ngoại sinh" để có kết quả so sánh về cơ chế diệt khuẩn chính xác nhất. Cuối cùng, nhóm cũng cần nghiên cứu thêm về các bề mặt nano-texture có kích thước các gai đồng đều với nhau để kiểm chứng cơ chế diệt khuẩn mà nhóm tìm ra có thể áp dụng cho loại bề mặt này hay không.

Một lần nữa, mẹ thiên nhiên lại gây bất ngờ cho các nhà khoa học vì sự đa dạng và phức tạp của tạo hóa. Hiểu rõ được các cấu trúc và cơ chế trên bề mặt cánh chuồn chuồn sẽ mở ra rất nhiều ứng dụng cho con người trong rất nhiều lĩnh vực từ y tế cho đến công nghệ thực phẩm.