Bí mật cách nhện biến "dung dịch tơ" thành vật liệu bền nhất tự nhiên

Khi bị hất văng khỏi bức tường, một con nhện không rơi lâu. Chỉ trong vài mili giây, nó "quay" một hỗn hợp protein thành sợi dây leo chắc chắn và tự kéo mình trở lại. Sợi tơ ấy bền hơn Kevlar, cứng hơn thép, lại dẻo dai và tương thích sinh học với cơ thể người.

Nhện orb weaver đang giăng tơ

Giới khoa học từ lâu mơ biến tơ nhện thành vật liệu hiệu năng cao cho dây an toàn, mũ bảo hiểm, vật liệu hàng hải, thậm chí là giá đỡ giúp phục hồi tế bào não. Nhưng các nỗ lực tái tạo tơ nhện trong phòng thí nghiệm vẫn chưa đạt kết quả như mong đợi, bởi chúng ta chưa hiểu đủ về cách nhện "quay" dung dịch tơ (silk dope) — hỗn hợp protein, nước và muối — từ tuyến tơ thành sợi rắn kỳ diệu.

Hành trình đi tìm "chén thánh" của ngành tơ nhện

Việc vẽ ra cơ chế phân tử đằng sau quá trình này được xem là "chén thánh" thực sự của lĩnh vực, theo Gregory Holland, nhà hóa học và chuyên gia quang phổ tại Đại học Bang San Diego. Ông vừa dẫn dắt một nghiên cứu mô tả cách các phân tử trong dung dịch tơ nhện tổ chức lại thành những giọt bán lỏng gọi là condensate trước khi hóa thành sợi tơ rắn.

Kết quả mang đến cái nhìn ở cấp độ nguyên tử vào "nhà máy tơ" của nhện. Đồng thời, nó cũng là hướng dẫn thực tiễn về sự hình thành condensate — thứ mà tự nhiên đã dùng đi dùng lại để sắp xếp phân tử cho các quá trình di truyền và tạo ra những vật liệu sinh học bền đáng kinh ngạc.

"Ngày càng rõ rằng condensate là một chiến lược phổ biến được dùng rộng khắp ở nhiều sinh vật khác nhau", Matthew Harrington, nhà khoa học vật liệu sinh học tại Đại học McGill, người không tham gia nghiên cứu, nhận định.

Nhà máy tơ kỳ diệu của tự nhiên

Nhện là những cỗ máy sản xuất đáng kinh ngạc. Một con nhện có thể tạo ra tới bảy loại tơ khác nhau, và thường cùng một cá thể quay được nhiều loại. Tơ aciniform dùng để gói con mồi cất trữ. Tơ flagelliform đàn hồi như cao su giúp vòng xoắn bắt mồi hấp thụ chấn động. Tơ dragline neo mạng nhện và cơ thể nhện vào tường.

Mỗi loại tơ có tính chất riêng tùy loài và cách các phân tử của nó được lắp ghép. Thậm chí cùng một loại tơ ở các loài khác nhau cũng có đặc tính hơi khác nhau.

Năm 1907, các nhà khoa học phát hiện tơ nhện được tạo từ những protein dài, có cấu trúc mô-đun, sau này gọi là spidroin — cùng nhóm protein sợi với collagen và keratin. Hơn nửa thế kỷ sau, hình ảnh X-quang bắt đầu hé lộ cấu trúc nền của sợi tơ: những tấm protein phẳng gọi là beta sheet, nằm trong một nền ít trật tự hơn.

Tuyến tơ và các lỗ phun tơ của nhện qua kính hiển vi điện tử

Đầu những năm 2000, khi quan sát spidroin trong dung dịch, các nhà nghiên cứu không thấy cấu trúc cố định có tổ chức như ở phần lớn protein. Thay vào đó, spidroin có những vùng mất trật tự nội tại (intrinsically disordered regions) dao động liên tục, tạo hình rồi lại biến đổi. Câu hỏi đặt ra: làm sao một mớ protein hỗn độn ấy có thể sắp xếp thành sợi tơ rắn chắc?

Condensate — mảnh ghép còn thiếu

Năm 2009, các nhà khoa học phát hiện những giọt RNA kết tụ trong trứng giun đã thụ tinh. Đó chính là condensate — những "bong bóng" lỏng hoặc gel chứa protein cô đặc lơ lửng trong dung dịch. Dù đã được quan sát hơn một thế kỷ, condensate chỉ mới được nhìn nhận là công cụ tổ chức quan trọng cho các quá trình phân tử trong sự sống.

Điểm mạnh của condensate là chúng tập trung phân tử, sắp xếp trước chúng vào một môi trường linh động mà không khóa cứng như thể rắn.

"Vì chúng ở thể lỏng, chúng dễ uốn nắn, nên tự nhiên có thể tạo hình chúng thành bất cứ thứ gì mình muốn", Harrington giải thích.

Nghiên cứu tiếp theo cho thấy tế bào sống dùng condensate ở khắp nơi: tổ chức DNA, điều hòa biểu hiện gene, đóng gói protein. Ở quy mô lớn hơn, chúng giúp các loài tạo vật liệu thú vị — từ mỏ mực với độ cứng chuyển dần, đến chất keo dính giúp trai bám vào đá, hay "xi măng biển" mà giun ống dùng xây tổ bảo vệ.

Năm 2020, Keiji Numata, nhà hóa học vật liệu sinh học tại Đại học Kyoto, đề xuất rằng tơ nhện trải qua giai đoạn condensate trong quá trình chuyển từ dung dịch lỏng sang sợi rắn. Condensate hình thành nhờ phân tách pha lỏng – lỏng (liquid-liquid phase separation), khi các phân tử trong dung dịch bắt đầu tương tác yếu với nhau dưới tác động của yếu tố như thay đổi pH, hóa chất hay nhiệt độ.

Nhện góa phụ đen — đối tượng nghiên cứu chính

Bên trong nhện góa phụ đen

Suốt năm 2023 và 2024, cứ vài tháng lại có một gói nhện góa phụ đen cái được gửi đến khoa hóa học Đại học Bang San Diego. Loài nhện đen tuyền điểm đỏ này có nọc độc mạnh gây đau đớn cho người, nhưng ngoài "bất tiện nhỏ" đó, chúng là đối tượng lý tưởng để nghiên cứu tơ nhện: protein spidroin tơ dragline của chúng được mô tả kỹ nhất trong tất cả các loài, và chúng có sẵn quanh năm.

Hannah Johnson, khi đó là nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Holland, cùng các sinh viên "quay tơ" những con nhện đã được gây mê bằng CO2. Bằng nhíp, họ nhẹ nhàng kéo sợi tơ ra khỏi lỗ phun tơ ở bụng nhện rồi quấn vào một lọ gắn mô-tơ quay. Trong suốt quá trình, nhện được cho ăn "sinh tố protein" — hỗn hợp axit amin giàu đồng vị đặc biệt để có thể phát hiện trong phòng thí nghiệm.

Nhóm dùng quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) để lập bản đồ cấu trúc phân tử trong dung dịch tơ lỏng và trong condensate thu từ tuyến tơ. Song song, họ dùng AlphaFold — công cụ trí tuệ nhân tạo mô hình hóa cấu trúc protein — cùng phần mềm động lực học phân tử để dự đoán quá trình này bằng máy tính.

Phát hiện then chốt: "nhãn dán phân tử"

Johnson quan sát thấy khi thêm phosphate vào dung dịch tơ để khởi động quá trình ngưng tụ, các nhóm bên của hai axit amin là arginine và tyrosine trong vùng mất trật tự bắt đầu tương tác yếu với nhau. Tương tác này đẩy nước ra ngoài, sắp xếp các protein hỗn độn thành vật liệu đặc hơn dạng gel — chính là condensate.

Điều đáng chú ý: tương tác này vẫn tồn tại trong sợi tơ rắn, cho thấy các axit amin ấy đóng vai trò như những "nhãn dán phân tử", dẫn dắt protein mất trật tự vào condensate và cuối cùng thành sợi tơ. Mô phỏng của nhóm còn cho thấy các axit amin này xếp thẳng hàng ngay tại các chỗ gấp khúc của beta sheet — gợi ý chúng giúp định hướng spidroin vào cấu trúc cuối cùng.

"Hiểu được cách các nhóm bên tương tác và tạo ra cấu trúc lớn hơn tổng các phần riêng lẻ... thật tuyệt vời", Chris Holland, nhà sinh học tại Đại học Sheffield, người không tham gia nghiên cứu, bình luận. Điều ông đánh giá đặc biệt là nhóm đã dùng nhện thật thay vì tơ tổng hợp — "điều đó thật xuất sắc".

Không loại trừ, mà bổ sung cho các lý thuyết cũ

Mô tả về condensate không phủ nhận các lý thuyết trước đây. Gregory Holland cho rằng cả ba — micelle, condensate và tinh thể lỏng — có thể là các giai đoạn của cùng một quá trình chuyển pha. Micelle ngăn các protein hỗn độn vón cục; protein có thể tiền lắp ráp thành condensate hoặc sắp hàng như tinh thể lỏng trước khi được phun ra thành sợi có trật tự cao.

Tuy nhiên, quá trình thực tế có lẽ "năng động và không đồng nhất" hơn nhiều so với một chuỗi tuần tự, với nhiều cấu trúc hình thành đồng thời trong hỗn hợp.

Vật liệu vượt trội và bài toán còn bỏ ngỏ

Mô tả trọn vẹn quá trình quay tơ phức tạp sẽ đòi hỏi nhiều công sức, nhưng phần thưởng có thể rất lớn. Nhện sản xuất lượng tơ ít ỏi so với tằm — loài đã được nuôi hơn 4.000 năm. Cần hàng nghìn con tằm để làm một chiếc áo lụa; sẽ cần khoảng 1 triệu con nhện, phần vì chúng không tạo kén dễ chế biến, phần vì bản tính ăn thịt đồng loại khiến mỗi con phải nuôi riêng một hộp.

Sản xuất tơ nhện trong phòng thí nghiệm có thể mang lại một loạt vật liệu bền mà vẫn dẻo. Kevlar hiện là vật liệu bền nhất của chúng ta, nhưng cần xử lý ở nhiệt độ rất cao và môi trường axit.

"Ở đây, bạn có một sinh vật như nhện hay trai, về cơ bản đang tạo ra vật liệu vượt trội trong điều kiện môi trường — trong nước biển hoặc chỉ trong không khí", Harrington nói.

Con người vẫn chưa tái tạo được điều đó. Khi tổng hợp tơ nhện trong phòng thí nghiệm với đúng trình tự axit amin của spidroin, sợi thu được vẫn không bền bằng tơ tự nhiên. Kevin Chalek, thành viên nhóm nghiên cứu, cho rằng hẳn phải có thứ gì đó ngoài beta sheet đóng góp thêm độ bền — có thể từ các khía cạnh khác của cấu trúc tơ, hoặc từ những phần của spidroin thường bị lược bỏ trong các giải pháp tổng hợp.

"Tôi nghĩ một khi thực sự hiểu những bản thiết kế ấy, chúng ta sẽ làm được nhiều điều hơn với tơ", Chris Holland kết luận.

Với giới công nghệ vật liệu, đây là hướng nghiên cứu đáng theo dõi: một quy trình sản xuất vật liệu siêu bền ở điều kiện thường, không cần nhiệt độ cao hay hóa chất độc hại, sẽ là bước ngoặt cho ngành sản xuất và vật liệu sinh học.