Đột phá khoa học: Vi khuẩn “hô hấp điện”, mở ra kỷ nguyên năng lượng sạch và công nghệ sinh học

Một số loại vi khuẩn có khả năng hô hấp bằng cách tạo ra điện, sử dụng một quá trình tự nhiên để đẩy electron ra môi trường xung quanh thay vì thở oxy. Nghiên cứu mới đầy hứa hẹn này, do nhóm chuyên gia từ Đại học Rice thực hiện và công bố trên tạp chí Cell.

Bí ẩn hô hấp của vi khuẩn: “Thở” bằng điện

Hầu hết các sinh vật hiện đại, bao gồm con người và thực vật, đều phụ thuộc 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. Tuy nhiên, vi khuẩn, những sinh vật tồn tại lâu đời hơn nhiều, đã phát triển những cách khác để hô hấp trong môi trường thiếu oxy, như ở miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu hay trong ruột người.

Một số vi khuẩn sử dụng hợp chất tự nhiên naphthoquinone để chuyển electron ra mặt ngoài tế bào. Quá trình này, được gọi là hô hấp ngoại bào, mô phỏng cách pin xả điện và cho phép vi khuẩn phát triển mà 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 đã 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.

Kiểm chứng trong phòng thí nghiệm: Vi khuẩn thực sự phát điện

Nhóm nghiên cứu đã 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 thật ấn tượng: 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 đã xác nhận, vi khuẩn trên những vật liệu dẫn điện tiếp tục phát triển và tạo ra điện, hô hấp 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 và là thành viên nhóm nghiên cứu, giải thích.

Ứng dụng tiềm năng: Năng lượng sạch, y học và khám phá không gian

Theo Interesting Engineering, phát hiện mang tính nền tảng này mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn to lớn. 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 việc 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 chia sẻ.

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, và thậm chí là khám phá không gian sâu, nơi oxy là một nguồn tài nguyên khan hiếm.

Phát hiện về khả năng hô hấp bằng điện của vi khuẩn là một bước đột phá quan trọng, không chỉ làm thay đổi hiểu biết của chúng ta về sự sống mà còn mở ra những hướng đi mới đầy hứa hẹn cho việc phát triển các công nghệ bền vững và tiên tiến trong tương lai.