Ít người biết rằng một số loài ong cũng có khả năng tạo ra tơ. Theo nhà sinh học phân tử Oran Wasserman thuộc Đại học Bang Utah (Mỹ), quá trình sản xuất tơ trong tự nhiên phổ biến hơn nhiều so với nhận thức của đa số mọi người và đã tiến hóa độc lập ít nhất 23 lần ở các loài côn trùng, bao gồm kiến, ong mật và ong bắp cày.

Đầu năm nay, ông Wasserman và các cộng sự đã trở thành nhóm đầu tiên chế tạo thành công màng vật liệu từ tơ của một loài ong có tập tính sống đơn độc, mở ra cơ hội khai thác loại vật liệu sinh học mới này cho nhiều ứng dụng trong tương lai.

Không phải tất cả các loài ong đều tạo ra tơ, nhưng ở những loài có khả năng này, tơ đóng vai trò bảo vệ ấu trùng. Các loài ong sống theo đàn như ong mật và ong nghệ sử dụng tơ để lót các ô tổ, trong khi khoảng 75% các loài ong sống đơn độc dùng tơ để dệt kén, giúp bảo vệ con non trước điều kiện môi trường khắc nghiệt và các loài ký sinh.

Nghiên cứu của nhóm tập trung vào ong ký sinh màu xanh (Osmia lignaria), một loài thụ phấn quan trọng cho cây ăn quả. Những chiếc kén nhỏ của loài ong này tuy có vẻ mỏng manh nhưng lại sở hữu cấu trúc rất bền vững, có khả năng cân bằng trao đổi khí, giữ độ ẩm, bảo vệ cơ học và chống lại sự tấn công của các loài ong bắp cày ký sinh chuyên đẻ trứng vào bên trong kén.

Khả năng chống đâm thủng của kén ong khiến các nhà khoa học đặc biệt quan tâm bởi đây là đặc tính lý tưởng cho nhiều vật liệu y sinh thế hệ mới như chỉ khâu phẫu thuật, khung giàn kỹ thuật mô hay các loại vải kỹ thuật cao.

Tuy nhiên, việc tái tạo tơ ong trong phòng thí nghiệm không hề đơn giản. Ban đầu, các nhà nghiên cứu cố gắng tách sợi tơ từ những chiếc kén hoàn chỉnh nhưng phương pháp này tốn nhiều công sức và khiến sợi dễ bị hư hại.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống nuôi dưỡng in 3D mô phỏng môi trường tổ tự nhiên của ong, từ đó thu thập trực tiếp các sợi tơ ngay khi ấu trùng bắt đầu dệt kén. Các sợi tơ sau đó được tách ra và đưa vào thử nghiệm cơ học.

Theo ông Wasserman, ưu điểm của phương pháp này là ấu trùng vẫn có thể tiếp tục hoàn thiện chiếc kén của mình sau khi lấy mẫu. Điều này giúp giảm thiểu tối đa sự can thiệp vào quá trình phát triển tự nhiên.

Dựa trên các sợi tơ thu được, nhóm nghiên cứu tiếp tục sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử để đưa các gene tạo tơ vào vi sinh vật biến đổi gene, cho phép sản xuất protein tơ trong phòng thí nghiệm. Các protein này sau đó được tinh chế thành fibroin và chế tạo thành những màng mỏng, trong suốt và có thể tự đứng vững.

Đây là lần đầu tiên protein tơ của một loài ong sống đơn độc được sản xuất nhân tạo và chuyển hóa thành vật liệu thực tế.

Tơ ong được sử dụng để bảo vệ ấu trùng và kén trong các giai đoạn phát triển.

Mặc dù công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu, các nhà khoa học tin rằng nó có thể mở đường cho việc phát triển nhiều loại vật liệu sinh học mới dựa trên tơ của các loài ong khác nhau, hoặc thậm chí kết hợp với các vật liệu tự nhiên khác để tạo ra những đặc tính vượt trội hơn.

Một trong những hướng nghiên cứu hiện nay là kết hợp tơ ong với protein từ chất nhầy của cá mút đá Myxin, loài cá biển sâu nổi tiếng với khả năng tiết ra chất nhầy chứa các sợi protein có đặc tính cơ học gần tương đương tơ nhện.

Theo nhóm nghiên cứu, sự tương đồng về cấu trúc protein giữa hai vật liệu này có thể cho phép tạo ra các vật liệu lai vừa bền, dẻo, vừa thân thiện với môi trường.

"Tơ đã được con người sử dụng trong hàng nghìn năm, nhưng phần lớn sự chú ý chỉ tập trung vào tằm và nhện", ông Wasserman cho biết. Ông nhận định thế giới côn trùng vẫn còn sở hữu vô số loại tơ với cấu trúc và tính chất khác nhau chưa được khám phá đầy đủ, và lĩnh vực này hứa hẹn sẽ còn mang đến nhiều phát hiện mới trong tương lai.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí khoa học PLOS One, STAR Protocols và SynBio.