Các nhà khoa học đã xây dựng được máy tính sinh học đặt vừa vặn bên trong các tế bào

Các kỹ sư của Học viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển được cácmạch điện toán sinh học có khả năng ghi nhớ và phản hồi lại các chuỗi dữ liệu đầu vào.

Được đăng tải trên tạp chí Science tuần này, thành công này đánh dấu bước tiến quan trọng trong công cuộc tích hợp các bộ nhớ DNA lên các tế bào sinh học, xa hơn nữa là mở đường cho việc xây dựng những hệ thống điện toán lớn từ các bộ phận trên động, thực vật cũng như lập trình ra các chức năng sinh học phức tạp cho cơ thể sống.

Nathaniel Roquet và các cộng sự tại MIT Synthetic Biology Group đã có thể xây dựng ra một thiết bị gọi là state machine (máy tính trạng thái). Sở dĩ có máy tính sinh học này được gọi là state machine là bởi đây là thuật ngữ mô tả điện toán như một chuỗi các trạng thái khác nhau trong một chu trình hoạt động để thực hiện các tác vụ mong muốn. Trong một hệ thống điện toán, trạng thái này sẽ chuyển sang trạng thái khác qua các sự kiện chuyển dịch. Một trạng thái sẽ là kết quả của trạng thái trước nó cộng hưởng với các dữ liệu input mới được đưa vào. State machine còn chỉ những hệ thống lớn bao gồm nhiều yếu tố, từ xử lý ngôn ngữ tự nhiên, các thuật toán phức tạp cho đến những thuật toán đơn giản lập trình cho một chiếc máy bán hàng tự động.

Chúng ta đều biết trong một tế bào sống, DNA (tiếng Việt thường gọi là ADN) là phân tử lưu trữ các thông tin di truyền tự nhiên. Chính xác nhiệm vụ của DNA là lưu trữ thông tin. Và Roquet cùng các cộng sự đang tạo ra một bộ khung để thao tác, điều khiển (bằng các chất hóa học) các DNA bằng cách mã hóa các trạng thái điện toán vào trong các chuỗi DNA. Việc này cho phép chúng ta nhìn ra các trạng thái qua những chuỗi gen cũng như kiểm soát được các đặc tính biểu hiện của gen qua các sự kiện chuyển trạng thái. Nói cách khác thì các trạng thái này có thể được kết nối với với các hoạt động bên trong tế bào. Trong khi đó, các DNA lại đóng vai trò như bộ nhớ của state machine vừa nhắc đến ở trên. Vấn đề hiện giờ chỉ còn là liệu các DNA này sẽ được điều khiển ra sao và tác động của chúng tới các hoạt động trong tế bào chứa chúng là gì.

Trong các thí nghiệm của mình, Roquet cùng đồng nghiệp đã lập trình ra các tế bào E.coli để phản ứng lại các chất thường được sử dụng trong các thí nghiệm nghiên cứu, bao gồm cả chất tương tự kháng sinh tetracycline, đường arabinose và chất hóa học DAPG có thể giúp thực vật bảo vệ phần rễ của chúng khỏi các loại dịch bệnh. Các tế bào có thể được lập trình lại thành các dạng mong muốn khác.

Roquet cho biết: "State machine lưu giữ và phản hồi lại các chuỗi tín hiệu và hiện tượng biến đổi gen diễn ra bên trong một tế bào có thể trở thành công cụ nghiên cứu và điều hòa các hệ thực thể sống phức tạp." Nói cách khác thì bằng cách vận hành state machine trong các tế bào sống, chúng ta sẽ có thể giám sát được các hoạt động và hiện tượng chưa từng quan sát được diễn ra bên trong các tế bào.

Ví dụ như tế bào nguyên bản, tương tự như tế bào gốc, sẽ có thể phát triển thành nhiều loại tế bào với chức năng khác nhau nhờ vào thành tố phiên mã và các protein điều hòa gen bên trong tế bào. Các thành tố phiên mã cho phép các nhà nghiên cứu lập trình các tế bào nguyên bản thành các tế bào chức năng cụ thể. Tuy nhiên, quá trình này gồm những gì hiện vẫn chưa được làm rõ. Một máy tính state machine có thể ghi chép lại các biến đổi trên DNA.

Roquet lấy thêm ví dụ về việc tích hợp các máy tính sinh học như vậy vào các khối u ung thư, nơi chúng được sử dụng để giám sát hoạt động của các tế bào ung thư cũng như ức chế hoạt động của các khối u trong từng tế bào chứa đựng chúng.

Roquet cho biết: "Ý tưởng về việc chúng ta có thể ghi và phản hồi lại không chỉ các hoạt động sinh học bên trong tế bào mà còn có thể điều khiển chúng có thể mở ra rất rất nhiều ứng dụng quan trọng trong tương lai. Chúng ta biết nhiều về các yếu tố gây ra nhiều loại bệnh tật nhưng lại chưa hiểu rõ về cơ chế sắp xếp và hoạt động của chúng. Đây chính là một trong những vấn đề mà giới nghiên cứu có cơ hội được đào sâu vào với thiết bị máy tính sinh học mới này."

Khi máy tính được cấy ghép vào tế bào và trở thành sinh vật sống, chúng ta có"lập trình" lại các tế bào hư hỏng cũng như tăng cường sức mạnh cho một số bộ phận trên cơ thể động và thực vật.