Màng sinh học hiện đang được ứng dụng nhiều trong đời sống. Có thể không quen thuộc lắm với thuật ngữ “màng sinh học” nhưng chắc chắn bạn đã từng bắt gặp chúng.
Cách để vi khuẩn tồn tại
Làm thế nào để những vi khuẩn bé nhỏ tồn tại trong thế giới tự nhiên khắc nghiệt? - Nhờ cộng sinh với các loài khác để tự bảo vệ mình.
| Vi khuẩn bám lên các bề mặt | Các vi khuẩn sống bám và gắn kết với nhau trên các bề mặt (giữa chất rắn và chất lỏng, giữa không khí và chất lỏng) - vốn là nơi tích tụ nhiều chất dinh dưỡng nhất. Theo thời gian, tập hợp vi khuẩn và các chất do chúng tiết ra hình thành một lớp vật chất gọi là màng sinh học (biofilm).
|
Màng sinh học (MSH): là lớp vật liệu hữu cơ nhớt, hình thành từ cấu trúc cộng sinh của vi khuẩn, với thành phần gồm các phức hợp polysaccharide, protein, DNA và nước (chiếm 97%). MSH trong thiên nhiên, đặc biệt ở những vùng có độ ẩm cao.
MSH được tạo thành trên cả bề mặt sống lẫn không sống, ở những bề mặt rắn ngập nước, trên bề mặt chất lỏng, nơi tiếp xúc với không khí ẩm; bề mặt lá cây, thậm chí là bề mặt mô mềm trong cơ thể sống. Loại màng này có thể phát triển ở những khu vực khắc nghiệt nhất, cả vùng nước nóng lẫn băng giá, nước mặn lẫn nước ngọt, cả nước giàu axit hoặc kiềm.
Người ta thường bắt gặp MSH dưới dạng lớp váng trên bề mặt các hồ nước tù đọng, nơi lớp đá sỏi ven sông, suối; những mảng bám trên thành tàu… Ở môi trường sống của con người, MSH sinh sôi tại nơi ẩm thấp như phòng tắm, sàn nhà, đường ống nước và ống dẫn nước thải… Trong cơ thể sống, MSH xuất hiện dưới dạng cao răng; lớp xơ hóa gây nhiễm trùng phổi, lớp mủ nhiễm trùng trên một vết thương… Ta có thể nhìn thấy MSH bằng mắt thường.
MSH đầu tiên được Anthony Van Leewenhoek (người Anh) nghiên cứu năm 1684 là một mảng bám răng. Do thiếu công cụ và phương pháp, mãi đến cuối thế kỷ 20, giới khoa học mới nhận thức hết ý nghĩa và tầm quan trọng của MSH. Từ đó đến nay, số lượng nghiên cứu về MSH tăng vọt. Sau nhiều năm tìm hiểu, các nhà khoa học tin rằng, MSH là thành phần tự nhiên trong hệ sinh thái Trái Đất và hình thành MSH là xu hướng chung của các loại vi khuẩn.
MSH – nơi cư ngụ của các loài vi khuẩn
Hãy xem cách vi khuẩn tạo thành một MSH:
1. Giai đoạn 1 – Gắn kết: vi khuẩn trôi nổi gặp được một bề mặt ngập nước bắt đầu tiến hành gắn kết. Trong vài phút, chúng tổng hợp các chất ngoại bào cao phân tử (EPS - extracellular polysaccharides) để kết dính chặt chẽ với bề mặt.
2. Giai đoạn 2 – Tăng trưởng: sau vài giờ, lớp “chất nhầy” polysaccharides do vi khuẩn sản sinh phát triển thành cấu trúc 3 chiều, phức tạp, tạo ra lớp MSH hoàn chỉnh. Các vi khuẩn liên tục trao đổi thông tin để đảm bảo cấu thành MSH một cách chính xác.
3. Giai đoạn 3 – Phân tán: MSH đã hoàn chỉnh sẽ phân tán để xâm chiếm bề mặt mới nhờ giải phóng các mô tế bào nhỏ (tương tự cách hạt giống phát tán). Trong điều kiện thuận lợi, một MSH đã “trưởng thành” có thể lây lan với tốc độ nhanh chóng không ngờ.
Các giai đoạn phát triển của một MSH
MSH cung cấp cho vi khuẩn môi trường lý tưởng để sinh trưởng và phát triển:
Dưới kính hiển vi, MSH trông như các cấu trúc hình nấm phân cách bởi những con kênh đầy nước. Mỗi màng gồm nhiều lớp vi khuẩn sắp xếp trật tự, có độ dầy từ 600 µm – 900 µm (mỗi vi khuẩn dài khoảng 1 µm), liên kết với nhau nhờ các sợi cellulose cao phân tử tạo thành quần thể có tổ chức với các kênh ngang, dọc, cho phép chất lỏng, chất thải và dưỡng chất lưu thông hoàn hảo. Cấu tạo này không chỉ hỗ trợ vi khuẩn trao đổi thông tin bằng tín hiệu sinh hóa mà còn bảo vệ chúng khỏi sự tấn công của kẻ thù và các hóa chất độc hại khác (kháng thể, tế bào miễn dịch, thuốc…).
Vi khuẩn tồn tại trong MSH có tính chất khác biệt đáng kể so với các vi khuẩn sống trôi nổi trong môi trường. Chúng có khuynh hướng thích nghi nhanh chóng, tăng cường sức đề kháng với độc chất. Các vi khuẩn ở trung tâm MSH thường có khả năng kháng thuốc mạnh nhất.
Khác biệt về môi trường, về loại vi khuẩn, dưỡng chất, điều kiện sống sẽ hình thành các loại MSH khác nhau.
Những mối nguy từ MSH
Tuy giữ vai trò quan trọng trong chuỗi thức ăn của các loài thủy hải sản và động vật không xương sống, nhưng với con người, MSH tiềm ẩn nhiều mối nguy hiểm khó lường.
Dễ nhận thấy nhất, các MSH thường gây tắc nghẽn và ăn mòn. MSH chiếm 20% trong các tác nhân gây ăn mòn đường ống dẫn dầu trên biển. Lớp MSH trên thân tàu khiến các sinh vật biển như hàu dễ bám vào tàu hơn, làm giảm tốc độ con tàu, kéo dài thời gian di chuyển và tiêu tốn thêm nhiên liệu. MSH bám bên trong động cơ làm giảm hiệu suất vận hành máy móc.
Vốn tập hợp một lượng lớn vi khuẩn, MSH còn là nguồn gốc nhiều căn bệnh viêm nhiễm ở người. Các nhà khoa học cho biết, có thể tìm thấy hơn 400 loài vi khuẩn khác nhau trong cao răng với mật độ khoảng 10 tỷ con vi khuẩn/ mg. Khoảng 15-20% ca nhiễm trùng đường tiết niệu có nguyên nhân bắt nguồn từ MSH trong cơ thể. Đặc biệt, MSH sẽ trở thành nguồn lây nhiễm bệnh cực kỳ nguy hiểm nếu chúng hình thành trên các thiết bị y tế.
Một số vi khuẩn gây bệnh thường gặp trong MSH:
- Staphylococcus aureus: gây nhiễm khuẩn, áp xe.
- Salmonella typhi: gây bệnh thương hàn.
- Enterococcus faecalis: gây nhiễm trùng đường ruột.
- Pseudomonas aeruginosa: làm suy giảm miễn dịch, nhiễm trùng hệ thống hô hấp, viêm phổi, nhiễm trùng đường tiểu, nhiễm trùng máu…
- Vi khuẩn staphylococcus trên màng sinh học.
“Nếu ngăn chặn được sự hình thành MSH, chúng ta có thể dễ dàng loại bỏ và tiêu diệt tận gốc nhiều vi khuẩn gây hại” – ông Jochen Zimmer, chuyên gia nghiên cứu MSH tại Đại học Virginia cho biết – “Điều này rất có ý nghĩa với việc bảo quản các thiết bị phẫu thuật, dụng cụ y khoa… sử dụng trong bệnh viện”, ông nói thêm.
Tại Mỹ, xét về kinh tế, “MSH” có thể gây thiệt hại tương đương hàng tỷ USD tổn thất năng lượng, hư hỏng thiết bị, nhiễm khuẩn sản phẩm và nhiễm trùng y tế. Chính vì vậy, nhiều công nghệ ngăn ngừa MSH đã ra đời.
Gần đây nhất có công nghệ ứng dụng vật liệu SLIPS - “bề mặt xốp thấm nước siêu trơn” (Xem bài “Chống dính như... cây ăn thịt”, tạp chí STINFO số 12/2011) – làm lớp phủ chống sự hình thành MSH của các nhà khoa học Đại học Harvard. Theo nghiên cứu được đăng trên Proceedings of the National Academy of Scienes, một lớp phủ trơn tuột bằng SLIPS sẽ ngăn không cho vi khuẩn bám vào bề mặt, làm giảm MSH đến hơn 96% sau 7 ngày.
… Và lợi ích cũng không nhỏ
Tiểm ẩn rất nhiều hiểm nguy, nhưng MSH là lĩnh vực nghiên cứu thú vị và đầy thử thách, mang lại kho kiến thức hữu ích về tác động của vi khuẩn đối với mọi thứ xung quanh. Những nghiên cứu về MSH không chỉ ngăn ngừa tác hại của vi khuẩn mà còn ứng dụng chúng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp cho đến y tế. Bằng cách chọn lựa loại vi khuẩn đặc trưng, thay đổi tỷ lệ vi khuẩn, dung môi,… các nhà khoa học có thể tạo ra MSH với đa dạng công dụng.
Những ứng dụng phổ biến của MSH:
Làm sạch không khí
MSH sử dụng trong công nghệ lọc sinh học khá thông dụng, dùng vi sinh vật loại bỏ các hợp chất khí bị nhiễm bẩn. Trong hệ thống lọc, khí ô nhiễm sẽ được khuếch tán và được MSH hấp thụ.
Lọc nước
MBR (Membrance Bio Reactor) tức “bể lọc sinh học bằng màng” là một trong những công nghệ lọc nước vi sinh triển vọng hiện nay. Công nghệ này phát triển lần đầu tiên vào thập niên 1970. Trong quy trình xử lý nước thải, vi khuẩn trong MSH sẽ giúp loại bỏ chất hữu cơ, một số tác nhân gây bệnh và vi sinh vật trong nước. Không chỉ vậy, MSH còn có thể loại bỏ dầu ô nhiễm trên đại dương và trong các đường ống lọc dầu trên biển.
Làm màng trị bỏng
Khả năng che phủ và bảo vệ khiến MSH rất được “ưu ái” nghiên cứu làm màng trị bỏng. Bằng cách chọn lọc vi khuẩn phù hợp, các nhà khoa học tạo ra được loại MSH giúp che phủ vết thương, chống nhiễm trùng, thoát nước rất tốt và nhanh liền sẹo.
| Màng sinh học lọc nước | Màng sinh học trị bỏng | Màng sinh học trong thực phẩm |
Điều trị các bệnh nhiễm trùng
Nghiên cứu về MSH phần nào giải thích được nguyên nhân gây nhiễm trùng dai dẳng, hiện tượng từng “làm khó” ngành y trong một thời gian dài. Từ đó, nhiều phương pháp điều trị hỗ trợ miễn dịch đã ra đời. Nước súc miệng, thuốc kháng sinh, nước tẩy rửa gia dụng, chất khử trùng,… đều ra đời từ các phòng thí nghiệm nghiên cứu MSH.
Công nghệ thực phẩm
MSH rất thường gặp trong công nghệ thực phẩm, chẳng hạn, thạch dừa chính là polysaccharides ngậm nước tồn tại trong trạng thái nửa rắn, một loại MSH. Sợi cellulose do vi khuẩn tạo ra dẻo và bền hơn cellulose từ thực vật, nên nếu bổ sung thêm chất kháng khuẩn, MSH có thể dùng bảo quản thực phẩm hoặc làm bao bì thực phẩm ăn được.
Tại Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng MSH vẫn ở mức độ phòng thí nghiệm nhưng đã đạt thành quả nhất định trong lĩnh vực y học và thực phẩm. Ví dụ như: đề tài "Đa dạng hóa các môi trường sản xuất bacterial cellulose từ vi khuẩn Acetobacter xylium" nghiên cứu khả năng tạo MSH ở nhiều loại môi trường khác thay cho môi trường nước dừa già truyền thống, do khoa Công nghệ Thực phẩm, Đại học Nông Lâm TP.HCM thực hiện; đề tài “Xây dựng quy trình sản xuất và thử nghiệm lâm sàng màng sinh học từ cellulose vi khuẩn trị tổn thương mất da” do Sở KH&CN TP.HCM quản lý và Trường Đại học Y dược TP.HCM chủ trì thực hiện; đề tài "Một số ứng dụng của cellulose vi khuẩn trong lĩnh vực thực phẩm" sử dụng MSH làm màng bao thực phẩm, bảo quản dừa tươi (2 - 4 tuần) và thịt tươi (3 ngày) do Đại học Bách Khoa TP.HCM thực hiện. Ngoài ra, Đại học Bách Khoa TP.HCM đã nghiên cứu ứng dụng thành công MSH cố định bạc nano làm màng trị bỏng, đặc biệt thích hợp cho vết bỏng nhiễm khuẩn, làm lành vết bỏng sâu đường kính 2 cm sau 21 ngày điều trị…
Trên thế giới, ngày càng nhiều công dụng độc đáo của MSH được khám phá như làm môi trường cơ chất trong sinh học, chất mang năng lượng cho pin, làm mạch máu nhân tạo, mặt nạ dưỡng da… Yêu cầu đặt ra cho những nghiên cứu MSH trong tương lai là sản xuất trên quy mô công nghiệp.