Cánh chuồn chuồn có thể xé toạc vi khuẩn, giết chết chúng mà không cần kháng sinh

Trong quá khứ, con người đã học tập chuồn chuồn để chế tạo ra những cỗ máy bay được. Cấu trúc mắt loài vật này cũng được nghiên cứu để ứng dụng vào những chiếc camera hay mắt nhân tạo dành cho người mù lòa.

Bây giờ, chuồn chuồn tiếp tục chứng minh chúng phải là một bậc thầy của tạo hóa. Các nhà khoa học lần này quan sát được khả năng diệt khuẩn tự nhiên trên cánh chuồn chuồn, và lại một lần nữa muốn học tập chúng.

Không phải một bề mặt phẳng đơn giản như chúng ta thấy, cánh chuồn chuồn thô ráp bởi vì nó chứa những chiếc bẫy vi khuẩn. Soi trên kính hiển vi, bạn có thể thấy chúng giống như một bàn đinh, cắm lẫn mảnh chai sắc nhọn.

Cho nên, đừng hỏi tại sao một khi vi khuẩn đã rơi trên cánh chuồn chuồn thì không thể sống nổi.

Cánh chuồn chuồn có thể xé toạc vi khuẩn, giết chết chúng mà không cần kháng sinh

Trong nhiều nỗ lực tạo ra các bề mặt diệt khuẩn, các nhà khoa học đã từng phủ nó với chất hóa học. Nhưng rồi chúng ta biết, chất hóa học cũng như kháng sinh sẽ mất dần tác dụng theo thời gian, khi vi khuẩn bắt đầu biết cách kháng lại chúng.

Vì vậy ngày nay, hướng nghiên cứu hứa hẹn cho việc tạo bề mặt diệt khuẩn là đặt những chiếc bẫy. Chúng giống như một bàn đinh tý hon, làm ra từ những thanh nano silic màu đen chĩa lên trời. Và bởi những chiếc bẫy giết vi khuẩn theo nguyên tắc vật lý, nó không bị kháng lại như kháng sinh.

Những bàn đinh xé toạc vi khuẩn nằm trong một lĩnh vực nghiên cứu rộng, gọi là bề mặt kết cấu nano (nano textured surfaces – NTS). Lĩnh vực này nhận được sự quan tâm rất lớn của nhiều nhà khoa học. Bởi các kết cấu nano tồn tại ngay trong tự nhiên và chúng rất đáng để con người phải học hỏi.

Chẳng hạn, một bề mặt nano phủ lên quần áo, giày dép, giúp các vật dụng chống nước, đó là thứ được mô phỏng theo bề mặt của những chiếc lá sen. Trong trường hợp bàn đinh nano silic xé toạc vi khuẩn, nó là thứ tương tự bề mặt cánh của những con chuồn chuồn.

Trước đây, các nhà khoa học đã biết rằng một bàn đinh trên cánh chuồn chuồn có thể giết chết vi khuẩn, bằng cách đâm thủng vách tế bào của chúng. Nhưng họ muốn quan sát tận mắt điều này trong nghiên cứu mới.

Sử dụng các kính hiển vi điện tử siêu mạnh, các nhà khoa học Australia và Nigeria cuối cùng cũng thực hiện được điều này. Hơn nữa, họ còn phát hiện ra nhiều điều mà chúng ta vẫn lầm tưởng.

Một bàn đinh trông thế này đã đáng sợ, trên cánh chuồn chuồn chúng còn đáng sợ hơn

Hóa ra các bàn đinh mà tự nhiên tạo ra không như những gì chúng ta thấy ở rạp xiếc. Nhưng phải như thế thì chúng mới giết chết được vi khuẩn.

Đầu tiên, một bàn đinh trên cánh chuồn chuồn không đóng lên từ những chiếc đinh giống hệt nhau. Như một nguyên lý mà các nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ nano “thuộc lòng”, mọi thứ phải được làm ra càng đồng đều càng tốt.

Ví dụ, một bề mặt muốn chống nước tốt, nó phải được làm nên từ những “chiếc ô” nano giống hệt nhau và xếp san sát lại. Nhưng trong trường hợp một bàn đinh thì lại không phải thế. Bạn sẽ chẳng bao giờ thấy một diễn viên xiếc bị những chiếc đinh trên bàn xuyên thủng, cũng bởi chúng san sát và giống hệt nhau như vậy.

Câu hởi đặt ra là một bàn đinh như thế nào thì sẽ nguy hiểm hơn? Hóa ra, nó phải lởm chà lởm chởm, chứa những chiếc đinh sắc nhọn, cái phải cao cái phấp thấp và xen lẫn cả với những mảnh chai vỡ.

Đó chính xác là những gì bạn nhìn thấy trên cánh chuồn chuồn:

Một bàn đinh nano mà con người tạo ra (bên trái) và "bàn đinh lẫn mảnh chai" trên cánh chuồn chuồn (bên phải).

Một điều nữa được các nhà khoa học phát hiện, nguyên lý hoạt động của chiếc bẫy nguy hiểm này cũng khác xa những gì mọi người tưởng tượng. Khi một vi khuẩn rơi vào bàn đinh, nó không hề bị xuyên thủng như rơi xuống một chiếc bẫy của người thổ dân cắm đầy chông nhọn.

Thay vào đó, mình của những con vi khuẩn, mà trong trường hợp này là E. coli, thậm chí còn không chạm trực tiếp vào một chiếc đinh nào. Chúng tiết ra một chất dịch gọi là polymer ngoại bào. Những dịch này hình thành nên những bàn tay bám chặt vào những chiếc đinh nhọn như bạn có thể thấy ở đây:

Những "ngón tay" của vi khuẩn bám vào bề mặt bàn đinh

Khi vi khuẩn mới rơi vào bề mặt cánh chuồn chuồn, chúng chỉ phải chịu tác động bởi một lực dính. Ban đầu nó chỉ có thể làm biến dạng một chút màng vi khuẩn. Với duy nhất lực này, bàn đinh chưa thể xé những con vi khuẩn ra làm đôi được. Nguyên lý là, nếu chúng nằm im thì sẽ không chết.

Mặc dù vậy, các vi khuẩn sẽ di chuyển. Đó là điều mà chúng ta mong đợi, lực dính vẫn tồn tại gây ra một lực kéo lên màng ngoài vi khuẩn. Đó là những cái xé mạnh dẫn đến vết rách, gây rò rỉ tế bào chất và cơ quan bên trong vi khuẩn.

Kết quả là những con vi khuẩn bị xẹp xuống như những quả bóng bay thủng, mà bạn có thể tận mắt nhìn thấy dưới đây:

4 trạng thái của vi khuẩn trên bàn đinh, từ sống bình thường tới chết và xẹp lép

Chỉ sau khi vi khuẩn đã chết, đinh và chông nhọn mới đâm vào chúng. Các tác giả nghiên cứu kết luận với một sơ đồ mô tả những chiếc bẫy nguy hiểm với vi khuẩn trên cánh chuồn chuồn. Trong đó, họ so sánh mô hình cũ, mà nhiều người từng nghĩ về cách mà những bàn đinh nano diệt khuẩn (phía trên) với mô hình mới họ đề xuất (phía dưới).

Cơ chế vi khuẩn bị giết chết bởi bàn đinh trên cánh chuồn chuồn

Viết trong báo các nghiên cứu đăng trên tạp chí ACS Applied Materials & Interfaces, các tác giả tin rằng những gì họ quan sát được mới chính là cơ chế, giúp cánh những con chuồn chuồn luôn sạch sẽ. Một lần nữa học tập tự nhiên ở điểm này, con người có thể tạo ra nhiều công cụ hữu ích cho cuộc sống hiện tại và tương lai.

Chẳng hạn như hiện nay, kháng kháng sinh đã trở thành một vấn đề toàn cầu, thứ mà có thể giết chết tới 10 triệu người vào năm 2050. Trong khi kháng sinh và các chất diệt khuẩn mất tác dụng hóa học của chúng, con người có thể tạo ra những “chiếc bẫy cổ xưa” hoạt động trong nguyên tắc vật lý như thế này, để giết chết vi khuẩn.

Những chiếc bàn đinh có thể được tích hợp trên nhiều bề mặt tạo cơ hội cao cho vi khuẩn phát triển và lây lan, chẳng hạn như: tường bệnh viện, nắm đấm cửa, bề mặt bàn ăn và phòng vệ sinh…

Tham khảo ScienceAlert