Nghiên cứu mới do nhóm chuyên gia từ Đại học Rice thực hiện và công bố trên tạp chí Cell, có thể mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực năng lượng sạch và công nghệ sinh học.
Caroline Ajo-Franklin (trái), Biki Bapi Kundu (phải) cùng các đồng nghiệp tìm ra cơ chế giúp một số vi khuẩn thở bằng cách tạo ra điện. Ảnh: Jeff Fitlow/Đại học Rice
Hầu hết sinh vật hiện đại dựa vào oxy để chuyển hóa thức ăn và giải phóng năng lượng. Oxy đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi phản ứng tạo ra năng lượng. Nhưng vi khuẩn, tồn tại lâu hơn nhiều so với sinh vật hiện đại như con người và cây, đã phát triển những cách khác để hô hấp trong môi trường thiếu oxy như miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển hay ruột người.
Một số vi khuẩn sử dụng hợp chất tự nhiên naphthoquinone để chuyển electron ra mặt ngoài. Quá trình này, gọi là hô hấp ngoại bào, mô phỏng cách pin xả điện và cho phép vi khuẩn phát triển không cần oxy.
SciTechDaily cho biết, các nhà khoa học từ lâu đã quan sát kiểu hô hấp bất thường này. Trong nghiên cứu mới, nhóm chuyên gia từ Đại học Rice khám phá ra cơ chế cụ thể - một bước đột phá cho thấy hô hấp ngoại bào trong tự nhiên có khả năng phổ biến hơn nhiều so với những gì giới khoa học từng nghĩ.
Nhóm nghiên cứu hợp tác với phòng thí nghiệm Palsson thuộc Đại học California San Diego để kiểm tra phát hiện mới. Sử dụng mô hình máy tính tiên tiến, họ mô phỏng sự phát triển của vi khuẩn trong môi trường không oxy nhưng có nhiều bề mặt dẫn điện.
Kết quả, vi khuẩn thực sự có thể tự duy trì sự sống bằng cách xả electron ra ngoài. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm sau đó xác nhận, vi khuẩn trên những vật liệu dẫn điện tiếp tục phát triển và tạo ra điện, thở qua bề mặt một cách hiệu quả.
"Naphthoquinone hoạt động như những người vận chuyển phân tử, mang electron ra ngoài tế bào để vi khuẩn có thể phân giải thức ăn và tạo ra năng lượng", Biki Bapi Kundu, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Rice, thành viên nhóm nghiên cứu, giải thích.
Theo Interesting Engineering, phát hiện mang tính nền tảng này mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn. Các quy trình công nghệ sinh học như xử lý nước thải và sản xuất sinh học có thể được cải tiến đáng kể nhờ quản lý tốt hơn sự mất cân bằng electron. Vi khuẩn phát điện giúp khắc phục sự mất cân bằng này để hệ thống hoạt động hiệu quả.
"Công trình của chúng tôi đặt nền tảng cho việc khai thác CO2 thông qua điện tái tạo, trong đó vi khuẩn hoạt động tương tự thực vật với ánh sáng Mặt Trời trong quá trình quang hợp. Điều này mở ra cánh cửa để phát triển các công nghệ thông minh hơn, bền vững hơn với sinh học là cốt lõi", nhà khoa học Caroline Ajo-Franklin tại Đại học Rice, cho biết.
Nghiên cứu mới cũng có thể giúp cảm biến sinh học điện tử hoạt động được trong môi trường thiếu oxy, cung cấp công cụ mới cho chẩn đoán y tế, giám sát ô nhiễm, thậm chí khám phá không gian sâu.
Thu Thảo (Tổng hợp)