Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Trong bối cảnh khoa học vật liệu đang hướng tới các giải pháp sinh học bền vững, dễ phân hủy và thân thiện với môi trường, một nhóm nghiên cứu tại Viện EMPA (Thụy Sĩ) vừa phát triển thành công một loại vật liệu hoàn toàn tự nhiên, sống, có thể ăn được và đặc biệt là có tính ứng dụng cao trong nhiều ngành công nghiệp.

Vấn đề: Tối ưu hiệu suất hay bảo vệ môi trường?

Trọng tâm của khoa học vật liệu hiện đại là sản xuất bền vững các vật liệu phân hủy sinh học. Các vật liệu tự nhiên như cellulose, lignin hay chitin tuy có khả năng phân hủy sinh học nhưng thường cần trải qua xử lý hóa học phức tạp để đạt được độ bền hoặc độ dẻo mong muốn. Điều này khiến cho tính bền vững ban đầu bị ảnh hưởng. Vấn đề đặt ra là: Làm sao để tạo ra vật liệu vừa hiệu quả, vừa giữ được tính thân thiện sinh học ban đầu?

Nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Vật liệu Cellulose và Gỗ của EMPA đã phát triển một vật liệu sinh học mới. Không chỉ hoàn toàn phân hủy sinh học, vật liệu này còn chịu lực tốt, có nhiều đặc tính chức năng và có thể ăn được do không sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý.
Giải pháp từ tự nhiên: Hệ thống mycelium của nấm Split-gill

Sợi nấm (mycelia) của nấm Schizophyllum commune (split-gill)—một loại nấm ăn được mọc trên gỗ mục—đã được sử dụng làm nền tảng cho vật liệu mới. Thông thường, các sợi nấm được làm sạch và xử lý hóa học (nếu cần), dẫn đến sự đánh đổi giữa hiệu suất và tính bền vững.
Các nhà khoa học tại EMPA đã chọn cách tiếp cận mới: sử dụng toàn bộ hệ thống nấm sống thay vì xử lý tách rời sợi nấm. Khi phát triển trên môi trường, nấm Split-gill hình thành:
- Sợi nấm (hyphae) – cấu trúc chính hình sợi
- Ma trận ngoại bào – chứa các đại phân tử sinh học dạng sợi, protein và các hợp chất sinh học khác để tự xây dựng cấu trúc và đặc tính chức năng.Đây là một hệ thống tối ưu mà tự nhiên đã “thiết kế sẵn”– và nhóm nghiên cứu chỉ việc khai thác đúng cách.

Lợi ích từ hai đại phân tử đặc biệt
Nhóm nghiên cứu đã chọn lọc dòng nấm sản sinh ra hai đại phân tử quan trọng với lượng đặc biệt cao là schizophyllan – một polysaccharide siêu dài, siêu mảnh, tạo độ dai và bền kéo và hydrophobin – một protein hoạt động như chất nhũ hóa, giúp ổn định hỗn hợp chất lỏng phân cực và không phân cực như nước và dầu.  Nhờ sự kết hợp này, vật liệu sống từ sợi nấm có được các đặc tính lý tưởng như bền, đàn hồi, phân hủy sinh học và không độc; khiến nó trở nên phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Các ứng dụng của hệ thống sợi nấm sống
Trong nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Advanced Materials, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu hai ứng dụng khả thi cho vật liệu sống này:
Nhũ tương sống (Living emulsion)
Chất nhũ hóa giúp trộn các chất lỏng phân cực và không phân cực vào nhau. Nhũ tương giữ cho hỗn hợp không bị phân tách thành các lớp chất lỏng theo thời gian. Đối với hệ thống sợi nấm Split-gill, sợi schizophyllan và protein hydrophobin đều hoạt động như chất nhũ hóa tự nhiên. Nấm liên tục sản sinh thêm các phân tử này, giúp duy trì độ ổn định của hỗn hợp. Không chỉ vậy, cả sợi nấm và các phân tử ngoại bào đều hoàn toàn không độc hại, tương thích sinh học, có thể ăn được, càng để lâu càng ổn định.
Màng sinh học mỏng như nhựa
Trong một thí nghiệm khác, các nhà nghiên cứu đã chế tạo mạng lưới sợi nấm thành màng mỏng, hoàn toàn có thể thay thế nhựa trong bao bì phân hủy sinh học. Ma trận ngoại bào với các sợi schizophyllan dài giúp vật liệu có độ bền kéo rất tốt, thậm chí có thể được tăng cường hơn nữa bằng cách điều chỉnh hướng sắp xếp của sợi nấm và polysaccharide. Ngoài ra, có thể kiểm soát tính chất của vật liệu này bằng cách thay đổi điều kiện sinh trưởng của nấm hoặc sử dụng các chủng hoặc loài nấm khác, sản xuất các đại phân tử chức năng khác nhau.
“Vật liệu sống” – vừa phân hủy vừa… phân giải!
Ngoài việc dễ phân hủy, điều đặc biệt là nấm split-gill còn có khả năng tự phân giải vật liệu hữu cơ như gỗ, rác hữu cơ. Điều này mở ra nhiều ý tưởng mới như túi tự phân hủy rác hữu cơ, cảm biến sinh học – phản ứng với độ ẩm, phù hợp cho nông nghiệp hoặc bao bì thông minh.
Hướng tới thiết bị điện tử sinh học bền vững
Nhóm nghiên cứu đang phát triển thêm các ứng dụng triển vọng trong lĩnh vực điện tử thân thiện với môi trường như:
- Cảm biến độ ẩm phân hủy sinh học: Vật liệu nấm phản ứng đảo ngược với độ ẩm, giúp tạo ra các cảm biến sinh học có thể phân hủy hoàn toàn.
- Pin sinh học từ nấm: Nhóm nghiên cứu của Nyström đang kết hợp vật liệu nấm sống này để tạo ra pin sinh học từ nấm và pin giấy.TS. Gustav Nyström chia sẻ: "Chúng tôi đang kết nối lĩnh vực vật liệu sợi truyền thống với vật liệu sống – đây là hướng đi đột phá để tạo ra vật liệu mới: bền vững, linh hoạt và thông minh."


Nguồn bài viết: Tài liệu Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA) cung cấp. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về phong cách và độ dài.
 
Tạp chí tham khảo:
Ashutosh Sinha, Luiz G. Greca, Nico Kummer, Ciatta Wobill, Carolina Reyes, Peter Fischer, Silvia Campioni, Gustav Nyström. Living Fiber Dispersions from Mycelium as a New Sustainable Platform for Advanced Materials. Advanced Materials, 2025; DOI: 10.1002/adma.202418464
Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250513112309.htm