Sự kiên cố và bền bỉ từ lâu đã luôn được xem là ưu điểm tuyệt đối của các loại vật liệu nhựa truyền thống. Tuy nhiên, theo thời gian, chính đặc tính ưu việt này lại biến thành một thảm họa sinh thái toàn cầu khi những mảnh rác thải nhựa có thể tồn tại nguyên vẹn qua hàng thế kỷ.
Mâu thuẫn giữa vòng đời sử dụng cực kỳ ngắn ngủi của các sản phẩm như bao bì đóng gói và tuổi thọ kéo dài hàng trăm năm của chúng đã thúc đẩy giới khoa học khẩn trương tìm kiếm một lối thoát. Một nhóm các nhà nghiên cứu đã đặt ra câu hỏi mang tính bước ngoặt: liệu chúng ta có thể cấy ghép trực tiếp cơ chế tự phân hủy vào ngay trong vòng đời của các vật liệu nhựa hay không?
Câu trả lời đã được hé lộ thông qua một nghiên cứu mang tính đột phá về công nghệ vật liệu sinh học. Bằng cách ứng dụng những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực sinh học tổng hợp, các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra một loại nhựa sống có khả năng tự hủy theo lệnh.
Chìa khóa của công nghệ tiên tiến này nằm ở việc tích hợp trực tiếp các vi sinh vật và những enzym phân giải nhựa vào bên trong mạng lưới polyme ngay từ khâu sản xuất ban đầu.
Đại diện cho nhóm tác giả bài báo, nhà nghiên cứu Zhuojun Dai chia sẻ rằng thông qua việc nhúng các vi sinh vật vào cấu trúc polyme, vật liệu nhựa thực sự có thể trở nên sống động và tự phân hủy theo một kịch bản đã được thiết lập sẵn. Phương pháp này giúp biến độ bền của nhựa từ một vấn đề nan giải thành một tính năng hoàn toàn có thể lập trình và kiểm soát được theo ý muốn của con người.
Đi sâu vào khía cạnh kỹ thuật, các nỗ lực trước đây thường chỉ dựa vào một loại enzym duy nhất để phân hủy, dẫn đến hiệu suất rất hạn chế. Để vượt qua rào cản này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một loại nhựa sống chứa một quần thể vi sinh vật được tính toán cực kỳ kỹ lưỡng. Họ sử dụng chủng vi khuẩn Bacillus subtilis, vốn được lập trình riêng biệt với một mạch gen cảm ứng đặc biệt.
Mạch gen này cung cấp cho vi khuẩn khả năng tiết ra hai loại enzym phân hủy nhựa phối hợp bổ sung cho nhau. Cụ thể, enzym lipase Candida antarctica sẽ đóng vai trò như một cỗ máy cắt ngẫu nhiên, chia nhỏ các chuỗi polyme dài dằng dặc thành vô số mảnh vụn nhỏ hơn. Ngay sau đó, enzym lipase Burkholderia cepacia sẽ đảm nhận nhiệm vụ gặm nhấm liên tục những mảnh vụn này từ hai đầu, biến chúng thành các đơn vị cấu trúc monome cơ bản.
Trong quá trình thử nghiệm thực tế, nhóm nghiên cứu đã tiến hành trộn dạng bào tử ngủ đông của chủng vi khuẩn Bacillus subtilis với polycaprolactone - một loại polyme được sử dụng cực kỳ phổ biến trong công nghệ in 3d và sản xuất chỉ khâu phẫu thuật.
Việc duy trì vi sinh vật ở trạng thái bào tử ngủ đông giúp bảo vệ chúng an toàn tuyệt đối cho đến khi thực sự cần sử dụng. Khối nhựa sống thành phẩm vẫn giữ nguyên được các đặc tính cơ học bền bỉ, dẻo dai tương tự như màng polycaprolactone thông thường.
Sự thay đổi diệu kỳ chỉ bắt đầu xuất hiện khi có lệnh kích hoạt từ môi trường bên ngoài. Khi các nhà khoa học nhỏ một loại nước dùng dinh dưỡng có nhiệt độ 50 độ C vào vật liệu, các bào tử lập tức được đánh thức khỏi trạng thái ngủ đông.
Sự phối hợp nhịp nhàng và hiệu quả giữa hai loại enzym đã phá vỡ hoàn toàn kết cấu của nhựa, đưa chúng trở về dạng các khối xây dựng cơ bản chỉ sau vỏn vẹn sáu ngày. Điểm tuyệt vời nhất của quá trình phân hủy này là nó diễn ra triệt để đến mức không hề tạo ra bất kỳ một hạt vi nhựa nào, giải quyết dứt điểm nỗi lo ngại về ô nhiễm vi nhựa trong chuỗi thức ăn tự nhiên.
Để chứng minh tính ứng dụng thực tiễn của công trình vĩ đại này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng loại nhựa sống trên để chế tạo một điện cực nhựa có thể đeo được trên cơ thể người, có khả năng phát hiện các tín hiệu điện cơ. Kết quả thực nghiệm cho thấy thiết bị đã hoạt động hoàn hảo đúng như mong đợi và sau đó tự phân hủy hoàn toàn không để lại dấu vết chỉ trong vòng hai tuần ngắn ngủi.
Thành công của nguyên mẫu này đã mở ra vô vàn tiềm năng to lớn cho việc tích hợp hệ thống sinh học có sự phối hợp lập trình nhằm đối phó với cuộc khủng hoảng rác thải nhựa toàn cầu.
Trong tương lai không xa, các nhà nghiên cứu đặt kỳ vọng sẽ phát triển được một cơ chế kích hoạt các bào tử ngay trong môi trường nước, bởi đại dương hiện đang là điểm đến cuối cùng của phần lớn rác thải nhựa trên thế giới. Dù nghiên cứu hiện tại chỉ mới tập trung vào một loại polyme nhất định, các chuyên gia tự tin khẳng định rằng chiến lược tương tự hoàn toàn có thể được áp dụng linh hoạt cho nhiều chủng loại vật liệu khác nhau.
Nếu công nghệ này được nhân rộng để áp dụng cho các dòng nhựa sử dụng một lần, nhân loại sẽ có trong tay một vũ khí sinh học vô cùng sắc bén để giải quyết triệt để bài toán ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa gây ra.
Tham khảo: IE
Đức Khương
