Cơ nhân tạo từ các protein tự nhiên

Trong báo cáo nghiên cứu khoa học, được công bố trên Tạp chí Advanced Intelligent Systems, nhóm nghiên cứu do TS Stephen Schiller dẫn đầu cho biết, cơ nhân tạo uốn cong tự động chuyển động khi tiêu thụ nhiên liệu hóa học, tương tự như cơ của người hoạt động khi sử dụng actin-myosin và tiêu thụ adenosin triphosphat (ATP), nhiên liệu chính từ tế bào. Sự co bóp của vật liệu có thể được kiểm soát với sự thay đổi có kiểm soát độ pH và nhiệt độ.

TS Schiller cho biết, cơ nhân tạo này vẫn là một nguyên mẫu. Nhưng tính tương thích sinh học cao của vật liệu và khả năng điều chỉnh thành phần để phù hợp với những mô cụ thể và các ứng dụng công nghệ có thể mở đường cho những ứng dụng trong tương lai của y học tái tạo, chân tay giả, dược phẩm hoặc robot mềm.

Các nhà khoa học đã ứng dụng protein tự nhiên để phát triển hệ thống cơ nhân tạo, tích hợp thành những cỗ máy phân tử nhỏ hoặc polymer nhưng chưa thể phát triển các cơ tổng hợp hoàn toàn từ sinh học.

Protein tự nhiên mà nhóm Freiburg sử dụng để chế tạo cơ nhân tạo được phát triển trên cơ sở protein sợi tự nhiên, được gọi là elastin. Nhóm nghiên cứu phát triển 2 protein tương tự elastin tổng hợp, một protein phản ứng với sự biến động của độ pH, một protein khác phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ.

Các nhà khoa học kết hợp 2 protein bằng phương thức liên kết ngang quang hóa tạo thành một lớp vật liệu có thể dễ dàng định hình để thiết lập hướng chuyển động.

Với vật liệu tổng hợp mới này, nhóm nghiên cứu thành công gây ra những cơn co thắt nhịp nhàng, sử dụng một nguồn nhiên liệu hóa học là natri sulfit. Trong một phản ứng dao động hóa học, độ pH thay đổi theo chu kỳ do sự liên kết đặc biệt của một số phản ứng, năng lượng bổ sung chuyển thành năng lượng cơ học.

Nhóm nhà khoa học có thể kích hoạt và tắt những cơn co thắt khi thay đổi nhiệt độ. Trong quá trình này, có thể lập trình những trạng thái hoạt động nhất định của vật liệu, đồng thời có thể xóa đi và thiết lập lại bằng một kích thích khác. Nhóm nghiên cứu đã thành công tạo được một hệ thống đơn giản thực hiện cơ chế “học và quên” ở cấp độ vật chất.

Do vật liệu có nguồn gốc từ protein tự nhiên elastin và được sản xuất bằng các phương tiện công nghệ sinh học, nên vật liệu có tính bền vững cao, phù hợp với những ứng dụng kỹ thuật y sinh. Từ thành công của thực nghiệm này, nhóm nghiên cứu có thể phát triển các thiết kế những vật liệu protein, có thể thực hiện các chức năng sinh học phức tạp, có khả năng ghi nhớ và học tập.

Trong tương lai, vật liệu này có thể được phát triển để phản ứng với những kích thích khác như điện sinh học, nồng độ muối trong môi trường và tiêu thụ các nguồn năng lượng khác như malate có nguồn gốc từ sinh khối.

Phương pháp chế tạo những vật liệu protein, sử dụng ATP, năng lượng từ tế bào và phản ứng với các kích thích sinh học có thể tạo ra những vật liệu kỹ thuật tương thích sinh học cho các ứng dụng y sinh như tái tạo mô và các nano robot phân phối thuốc.