Kỹ thuật sinh học nano thực vật

Theo tạp chí khoa học Nature Materials, một nhóm nhà hóa sinh và kỹ sư hóa chất của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) mới đây thông báo đang tiến hành các hoạt động nghiên cứu về lĩnh vực mới gọi là - kỹ thuật sinh học nano thực vật.

1. Cấy ống nano carbon vào tế bào thực vật để tăng hiệu suất quang hợp

Phương pháp trên giúp tăng hiệu suất thực hiện quá trình quang hợp lên tới 30% đồng thời tạo nên cho cây xây nhiều chức năng hữu ích khác. Nghiên cứu trên hứa hẹn chẳng những cung cấp phương pháp sản xuất năng lượng xanh trong tương lai không xa mà còn có thể được áp dụng vào nhiều lĩnh vực khác trong đời sống con người.

Trong báo cáo đăng tải trên tạp chí Nature Material, các nhà nghiên cứu cho biết khả năng hấp thụ ánh sáng của thực vật đã tăng lên 30% sau khi được gắn các ống nano carbon vào bào quan lục lạp. Đây chính là nơi diễn ra quá trình quang hợp trong tế bào thực vật. Các nhà nghiên cứu gọi phương pháp trên là những bước đi đầu tiên trong quá trình tạo nên những ”nhà máy năng lượng thực vật công nghệ nano”.

Trưởng nhóm nghiên cứu tại MIT, giáo sư kỹ thuật hóa học Michael Strano cho biết: “Thực vật là một nền tảng hấp dẫn cho phát triển khoa học công nghệ. Chúng có những khả năng kỳ diệu như tự phục hồi, sinh trưởng được trong những môi trường khắc nghiệt và có thể tự cung cấp năng lượng cũng như nước cho chính mình”.

Thông thường dù trong môi trường hoàn hảo nhất, thực vật chỉ có thể hấp thụ được khoảng 10% năng lượng từ ánh sáng mặt trời tại những bước sóng ánh sáng nhất định. Sau khi được cấy vào lục lạp trong tế bào thực vật, các ống nano carbon giúp tế bào có thể thực hiện quá trình quang hợp tại nhiều bước sóng ánh sáng hơn so với trước đây đồng thời cho phép thực hiện quang hợp với hiệu suất cao hơn.

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu tìm một loại thực vật có cấu trúc tế bào đơn giản nhằm dễ dàng cấy ghép các ống nano carbon. Cuối cùng, loại thực vật họ cải xoong đã được chọn làm vật thí nghiệm. Đây là loại thực vật có DNA đơn thẳng thường được dùng trong các thí nghiệm khoa học.

Sau đó, nhóm nghiên cứu muốn theo dõi ảnh hưởng của các ống nano đối với quá trình quang hợp của tế bào. Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu dùng một loại thuốc nhuộm có thể biến đổi màu sắc khi hấp thu các electron. Kết quả cho thấy, chẳng những các hạt electron mà dòng điện cũng được tạo ra trong quá trình quang hợp.

Ngoài cải thiện hiệu suất thực hiện quá trình quang hợp của tế bào. Các nhà nghiên cứu cho biết có thể dùng phương pháp tương tự để cấy các cảm biến khí dưới kích thước nano vào bên trong tế bào. Các cảm biến có thể phát hiện được các chất khí độc hại và đưa ra dấu hiệu nhận biết trực quan ngay trên cây để con người biết. Ban đầu cảm biến trên có thể nhận biết được các oxit nito, nhưng trong thời gian tới có thể sẽ phát hiện được nhiều loại chất khí khác.

Các nhà nghiên cứu cho hay, phương pháp trên tạo điều kiện cho các nhà sinh vật học và kỹ sư công nghệ nano có cơ hội hợp tác vơi nhau nhằm nâng khả năng vốn dĩ đã rất tuyệt vời của cây xanh lên 1 tầm cao mới. Điều này mở ra triển vọng về những nhà máy năng lượng hoàn toàn xanh và sạch trong tương lai. Đồng thời, nếu được áp dụng rộng rãi, phương pháp trên thậm chí có thể tạo môi trường sống trong lành hơn cho con người.

2. Công nghệ Nano biến thực vật trở thành thiết bị dò khí độc

Các nhà khoa học này tiết lộ rằng trong tương lai các nghiên cứu của họ có thể bổ sung các chức năng “ngoại lai” cho các loại thực vật, từ việc phát ra các tín hiệu giống như điện thoại di động đến khả năng hoạt động như một bóng đèn đường.

Người đứng đầu nhóm nhà khoa học trên, Giáo sư Kỹ thuật Hóa Michael Strano, cho biết các loại thực vật là đối tượng thí nghiệm rất tiềm năng đối với các hoạt động nghiên cứu khoa học-công nghệ vì chúng tự điều chỉnh, chống lại các ảnh hưởng bất lợi và tồn tại trong môi trường khắc nghiệt, cũng như có thể tự cung cấp nguồn năng lượng và nước.

Nhóm nhà khoa học này thử nghiệm gắn các ống nano carbon một cách trực tiếp phía dưới các lá cây của một cây họ cải có tên gọi là Arabidopsis thaliana (một loài thực vật mà các nhà khoa học thường sử dụng để tiến hành các hoạt động nghiên cứu khoa học nhờ các gien tương đối nhỏ) – thường thực hiện quá trình “hô hấp” thông qua các mạch để hấp thu khí CO2 và thải ra khí ôxy.

Thông qua cơ chế hoạt động tự nhiên trên, các ống nano tìm ra các lạp lục của thực vật – tế bào chuyên thực hiện quá trình quang hợp, sử dụng chất diệp lục để hấp thu và lưu trữ năng lượng từ ánh sáng Mặt tròi.

Sự phát quang các tia gần giống như tia hồng ngoại của các ống nano đã thẩm thấu trong lá cây có thể đẩy nhanh quá trình quang hợp và giúp phát hiện các hóa chất và chất ô nhiễm.

Các nhà khoa học nhận thấy các loại thực vật đã phản ứng với quá trình pha loãng theo cách này đã sản sinh hơn 30% năng lượng so với bình thường.

Các nhà khoa học dự đoán bằng việc làm thay đổi đường kính của các ống nano giúp chúng có thể thu được các bước sóng dài của ánh sáng mà các loại thực vật hiện này không thể làm được, như ánh sáng xanh (các thực vật có mầu xanh do phản chiếu thay vì hấp thu ánh sáng xanh) và tia cực tím.

Thí nghiệm gắn các ống nano thứ hai có thể được tiến hành để phát hiện khí NO – một chất gây ô nhiễm môi trường sản sinh từ quá trình đốt cháy – thường dễ dàng xâm nhập vào các loại thực vật.

Ông Strano cho hay khi thực vật cảm nhận nguy cơ này đang diễn ra thì nó sẽ phát ra “một tín hiệu hồng ngoại như thiết bị điều khiển máy thu hình” mà một máy dò sóng có thể thu được.

Theo nhà sinh học Juan Pablo Giraldo, các biến thể khác nhau của các ống nano có thể được sử dụng để phát hiện các loại khí khác nhau, mô phỏng các loại thực vật có cơ chế hoạt động giống một thiết bị tự cung năng lượng (ví dụ như máy phát hiện chất nổ tại sân bay).

Các nhà khoa học vẫn chưa có cơ hội nghiên cứu các tác động lâu dài của các ống nano đối với các loại thực vật nhưng kết quả sơ bộ cho thấy các thực vật vẫn “sống khỏe” như trước – và sự thúc đẩy đối với quá trình quang hợp có thể giúp chúng mạnh hơn.

Nhóm nhà khoa học này cũng đang nghiên cứu về cách thức kết hợp các vật liệu nano điện tử như grapheme vào các loại thực vật.

Ông Giraldo cho biết hiện tại trên thế giới hầu như chưa có hoạt động nghiên cứu nào về lĩnh vực “kỹ thuật sinh học nano thực vật.” Như vậy, đây là một cơ hội cho những nhà khoa học về thực vật học và công nghệ nano cùng nghiên cứu trong một lĩnh vực có tiềm năng phát triển rất lớn./.

Tin tổng hợp