Phát hiện vi khuẩn “hít thở” bằng điện có thể làm thay đổi ngành công nghệ sinh học, năng lượng…

Theo đó, một nhóm nghiên cứu do nhà khoa học sinh học Caroline Ajo-Franklin -  Giám đốc Viện Sinh học tổng hợp Rice (thuộc Đại học Rice - Hoa Kỳ) và Học giả của Viện Nghiên cứu và Phòng ngừa Ung thư Texas (CPRIT) dẫn đầu đã phát hiện ra một số loại vi khuẩn thở bằng cách tạo ra điện khi sử dụng một quá trình tự nhiên đẩy các electron vào môi trường xung quanh thay vì hít thở oxy như những động vật thông thường.

Những phát hiện này được công bố trên Tạp chí Cell có thể tạo ra những phát triển mới trong ngành năng lượng sạch và công nghệ sinh học công nghiệp.

Theo nhóm nghiên cứu, bằng cách xác định cách những vi khuẩn này đẩy các electron ra bên ngoài đã hé lộ một chiến lược ẩn giấu trước đây của sự sống vi khuẩn.

Công trình này, kết hợp sinh học với điện hóa học có thể đặt nền tảng cho các công nghệ trong tương lai khai thác khả năng độc đáo của những sinh vật cực kỳ nhỏ bé này.

“Nghiên cứu của chúng tôi không chỉ giải quyết một bí ẩn khoa học lâu đời mà còn chỉ ra một chiến lược sinh tồn mới và có khả năng lan rộng trong tự nhiên" - Giáo sư khoa học sinh học Caroline Ajo-Franklin  cho biết.

Giáo sư Caroline Ajo-Franklin (trái) cùng các đồng nghiệp tìm ra một số vi khuẩn thở bằng cách tạo ra điện. Ảnh: Jeff Fitlow/Đại học Rice.

Theo các nhà nghiên cứu, hầu hết các sinh vật hiện đại đều dựa vào oxy để chuyển hóa thức ăn và giải phóng năng lượng, vì vậy oxy đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi phản ứng tạo ra năng lượng.

Tuy nhiên,  vi khuẩn vốn có từ lâu đời hơn nhiều so với các sinh vật hiện đại như con người và thực vật đã phát triển những cách khác để hô hấp trong môi trường thiếu oxy, bao gồm các lỗ thông hơi dưới biển sâu và ruột người.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng một số vi khuẩn sử dụng các hợp chất tự nhiên gọi là naphthoquinone để truyền electron ra bề mặt bên ngoài. Quá trình này, được gọi là hô hấp ngoại bào, mô phỏng cách pin xả dòng điện, cho phép vi khuẩn phát triển mà không cần oxy.

Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng đã quan sát thấy chế độ hô hấp bất thường này và khai thác nó trong công nghệ sinh học như một thứ gì đó giống như hộp đen.

Đặc biệt, khi nhóm do Đại học Rice đứng đầu đã phát hiện ra cơ chế của nó như một bước đột phá cho thấy hô hấp ngoại bào có thể phổ biến hơn nhiều trong tự nhiên so với những gì chúng ta từng biết trước đây.

Theo Biki Bapi Kundu - một nghiên cứu sinh Tiến sĩ tại Đại học Rice và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: "Cơ chế hô hấp mới được phát hiện này là một cách đơn giản và khéo léo để hoàn thành công việc khi Naphthoquinone hoạt động như chất chuyển phát phân tử, mang electron ra khỏi tế bào để vi khuẩn có thể phân hủy thức ăn và tạo ra năng lượng”.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Rice cũng đã hợp tác với phòng thí nghiệm Palsson tại Đại học California, San Diego (Hoa Kỳ) để thử nghiệm các phát hiện của họ.

Trong đó, khi sử dụng mô hình máy tính tiên tiến để mô phỏng sự phát triển của vi khuẩn trong môi trường không có oxy nhưng giàu bề mặt dẫn điện đã cho thấy vi khuẩn thực sự có thể tự duy trì bằng cách giải phóng electron ra bên ngoài.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tiếp theo cũng đã xác nhận vi khuẩn được đặt trên vật liệu dẫn điện tiếp tục phát triển và tạo ra điện, thực sự thở qua bề mặt.

Phương pháp tiếp cận liên ngành này đã làm sâu sắc thêm sự hiểu biết về tính linh hoạt của quá trình trao đổi chất của vi khuẩn và tiết lộ một phương pháp theo thời gian thực để theo dõi và tác động đến hành vi của vi khuẩn bằng điện tử.

Các nhà khoa học nghiên cứu đã tìm thấy vi khuẩn thở bằng cách giải phóng điện. Ảnh SciTechDaily.com.

Khám phá cơ bản này có ý nghĩa thực tế sâu rộng khi cso thể áp dụng vào các quy trình công nghệ sinh học như xử lý nước thải và sản xuất sinh học có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc quản lý tốt hơn sự mất cân bằng electron khi vi khuẩn “thở ra điện” có thể khắc phục những sự mất cân bằng này để duy trì hoạt động hiệu quả của hệ thống.

“Công trình của chúng tôi đặt nền tảng cho việc khai thác carbon dioxide thông qua điện tái tạo, nơi vi khuẩn hoạt động tương tự như thực vật có ánh sáng mặt trời trong quá trình quang hợp. Đồng thời, phát hiện này cũng mở ra cánh cửa để xây dựng các công nghệ thông minh hơn, bền vững hơn với sinh học là cốt lõi” -  Giáo sư Caroline Ajo-Franklin nhấn mạnh

Cũng theo các nhà nghiên cứu, công nghệ này cũng có thể cho phép các cảm biến điện tử sinh học trong môi trường thiếu oxy, cung cấp các công cụ mới để chẩn đoán y tế, giám sát ô nhiễm và thám hiểm sâu không gian.