Đây là kết quả mà các nhà nghiên cứu của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) rút ra được khi đưa một hệ thống điện tử lên thực vật, một phương pháp mà họ gọi là “thực vật điện tử sinh học nano”(plant nanobionics).
“Qua việc cấy vi hạt nano vào cây, mục tiêu của chúng tôi là biến cây thông thường thành cây điện tử sinh học nano với những chức năng mới”, theo Michael Stran, Giáo sư Carbon P.Dubbs của Khoa Công nghệ hóa học tại MIT và là người đứng đầu nhóm nghiên cứu. Nhờ vậy, các cây có khả năng phát hiện các hợp chất hóa học được biết đến là nitroaromatic, thường được sử dụng để chế mìn và các loại chất nổ khác. Khi cây ngẫu nhiên hút nước ngầm có chứa một trong số những chất hóa học này, những ống nano carbon được gắn trong lá sẽ phát ra tín hiệu huỳnh quang. Camera hồng ngoại được gắn vào một máy tính nhỏ giống như một chiếc điện thoại thông minh ở gần đó có khả năng phát hiện ra tín hiệu huỳnh quang này và gửi dữ liệu qua e-mail đến người dùng.
“Đây là một minh chứng mới lạ về cách chúng tôi vượt qua rào cản để thiết lập khả năng truyền đạt thông tin giữa cây và con người”, theo Strano. Ông tin rằng có thể khai thác thế mạnh của cây để cảnh báo về những chất ô nhiễm và điều kiện môi trường như hạn hán.
Strano là tác giả chính của nghiên cứu mô tả cây điện tử sinh học nano trong công bố của Nature Materials vào 31 tháng 10. Những người cùng tham gia nghiên cứu này với Strano là Min Hao Wong, cựu sinh viên MIT, mới lập một công ty có tên Plantea để phát triển và ứng dụng công nghệ này, và Juan Pablo Giraldo, từng nghiên cứu sau tiến sĩ tại MIT và hiện là phó giáo sư tại Đại học California tại Riverside.
Kiểm soát môi trường
Hai năm trước, trong minh chứng đầu tiên về cây điện tử sinh học nano, Strano và Juan Pablo Giraldo đã sử dụng vi hạt nano để tăng khả năng quang hợp của cây và biến chúng thành những cảm biến có khả năng phát hiện oxit nitric, một chất ô nhiễm sinh ra từ quá trình đốt cháy.
Cây cối phù hợp lí tưởng cho việc kiểm soát môi trường do chúng đã thu nhận rất nhiều thông tin từ xung quanh, Strano nói. “Thực vật là những nhà hóa học phân tích rất giỏi. Chúng có một mạng lưới rễ sâu rộng trong lòng đất, liên tục lấy mẫu nước ngầm, và có cách để tự đưa nước đó lên lá”. Phòng thí nghiệm của Strano trước đó đã phát triển ống nano carbon, có thể được sử dụng như những cảm biến để phát hiện một loạt các phân tử, bao gồm hydrogen peroxide, chất nổ TNT, và khí độc sarin. Khi phân tử mục tiêu liên kết với một chất cao phân tử được bao quanh ống nano, nó sẽ làm thay đổi huỳnh quang của ống này.
Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học đã gắn các cảm biến phát hiện hợp chất nitroaromatic vào lá cây cải bó xôi. Sử dụng một kĩ thuật có tên là truyền mạch để đưa một dung dịch nano vào mặt dưới lá cây, họ đặt các cảm biến này vào một lớp lá là tế bào diệp nhục (mesophyll), nơi diễn ra sự quang hợp.
Đồng thời họ cũng gắn ống nano carbon phát ra tín hiệu huỳnh quang liên tục, nhờ đó các nhà nghiên cứu có thể so sánh hai tín hiệu huỳnh quang nhằm kiểm tra cảm biến nào phát hiện được chất nổ dễ dàng hơn. Trong trường hợp có bất kì phân tử chất nổ nào trong nước ngầm, sẽ mất khoảng 10 phút để cây hút nó lên lá, nơi các cảm biến chờ sẵn.
Để đọc được tín hiệu, các nhà nghiên cứu chiếu một tia laser vào lá, thúc đẩy các ống nano trong lá phát ra ánh sáng huỳnh quang gần giống với tia hồng ngoại. Nó có thể được phát hiện bằng một camera hồng ngoại nhỏ kết nối với Raspberry Pi, một máy tính nhỏ có kích thước tương đương thẻ tín dụng. Tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu thì ngay cả một bộ lọc hồng ngoại có ở hầu hết các điện thoại có gắn camera cũng có thể phát hiện tín hiệu này. “Một chiếc điện thoại cầm tay có camera lọc hồng ngoại có thể thay thế được cả các thiết bị chuyên dụng. Vấn đề chỉ là bạn sẽ không sử dụng được điện thoại di động của mình khi bộ lọc hồng ngoại hoạt động [vì khi đang bật camera, các chức năng khác của điện thoại sẽ không hoạt động], Strano nói.
Với phương pháp này, các nhà nghiên cứu có thể nhận được tín hiệu về chất nổ cách cây 1m, hiện họ đang tìm cách tăng khoảng cách lên. Michael McAlpine, phó giáo sư ngành cơ khí kĩ thuật tại Đại học Minnesota nói rằng, phương pháp này có tiềm năng rất lớn về mặt kĩ thuật, không chỉ là về việc gắn cảm biến lên lá cây mà còn cho thấy còn có thể ứng dụng nhiều kĩ thuật sinh học khác để cây trồng nhận được tín hiệu vô tuyến hoặc thay đổi màu sắc.
Cũng theo ông, “khi đưa các vật chất nhân tạo vào những sinh vật sống, người ta có thể có được những loại cây có chức năng khác biệt so với các loại cây thông thường. Nếu coi những sinh vật sống, ví dụ như thực vật, chính là những vật liệu sinh học có thể được kết hợp với những chất liệu điện tử thì điều này trở nên có thể”.
Các nhà nghiên cứu cũng nói rằng phương pháp “điện tử sinh học nano”của họ nhanh hơn rất nhiều so với những phương pháp kĩ thuật di truyền trước đó, bởi chúng chỉ dựa vào việc kiểm soát những thay đổi như lá héo hay ngả màu, tốn đến hàng giờ hoặc nhiều ngày mà không dễ phát hiện bằng thiết bị điện tử.
“Lượng thông tin dồi dào”
Trong nghiên cứu về cây điện tử sinh học nano vào năm 2014, phòng thí nghiệm của Strano từng áp dụng trên loài thực vật phổ biến trong phòng thí nghiệm như Arabidopsis thaliana . Tuy nhiên để chứng minh tính linh hoạt của kĩ thuật này, các nhà nghiên cứu muốn thử nghiệm trên những loài phổ biến khác như cải bó xôi. “Bạn có thể áp dụng kĩ thuật này với bất kì loại cây nào” Strano nói.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu cũng đã có được những cây cải bó xôi có thể phát hiện chất dopamine, loại chất ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của rễ, và giờ họ đang theo dõi những cảm biến mới được bổ sung, trong đó một số cảm biến có khả năng nắm bắt các loại hóa chất mà cây sử dụng để truyền tải thông tin trong các mô của chúng.
“Cây cối rất nhạy cảm với môi trường, chúng biết sẽ có hạn hán trước chúng ta rất lâu và có thể phát hiện những thay đổi nhỏ trong các thuộc tính của đất và nước. Nếu hiểu được những tín hiệu hóa học này thì chúng ta sẽ có một lượng thông tin rất dồi dào để khám phá”. Những cảm biến này cũng có thể giúp các nhà thực vật học hiểu biết thêm về cơ chế làm việc bên trong của cây, kiểm soát được tình trạng của cây, và tối đa hóa năng suất của những hợp chất hiếm được cây tổng hợp lại chẳng hạn như loài dừa cạn Madagascar, dùng để sản xuất thuốc điều trị ung thư.
“Những cảm biến này có khả năng cung cấp những thông tin về cây một cách nhanh chóng. Thông qua đó, các cây này ‘nói’ cho chúng ta biết về môi trường mà chúng ta đang sống. Trong trường hợp về nông nghiệp chính xác thì việc có được những thông tin như vậy có thể ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và lợi nhuận”, Wong nói.
