Không còn là khoa học viễn tưởng: Các nhà khoa học đã chế tạo thành công mạch logic siêu nhỏ ngay trong tế bào người
Các nhà khoa học vừa tạo ra một bước tiến chấn động trong lĩnh vực sinh học tổng hợp khi biến tế bào người thành các mạch logic có khả năng tính toán, phân loại tín hiệu và tự phát hiện lỗi hệ thống.
Trong hàng tỷ năm qua, tạo hóa đã vận hành các tế bào như những cỗ máy sinh học hoàn hảo để sản sinh protein và phản ứng với môi trường. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây được công bố trên tạp chí Nature Communications đã chứng minh con người hoàn toàn có thể làm chủ và tự lập trình các hướng dẫn di truyền này.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hebrew ở Jerusalem đã thiết kế thành công các tế bào người có khả năng xử lý đồng thời nhiều tín hiệu sinh học, thực hiện các phép toán logic đơn giản và tự đưa ra quyết định phản ứng phù hợp.
Dù nghiên cứu hiện tại mới dừng lại trong phạm vi phòng thí nghiệm, đây được xem là nền móng vững chắc cho các liệu pháp tế bào thông minh trong tương lai - nơi các tế bào có thể tự tầm soát bệnh tật và chỉ kích hoạt cơ chế điều trị khi đáp ứng đủ các điều kiện an toàn.
Các nhà khoa học tại Đại học Hebrew ở Jerusalem đã thiết kế thành công các mạch tế bào người có khả năng xử lý nhiều tín hiệu, thực hiện phép logic và chọn phản ứng. Nghiên cứu này mở ra tiềm năng cho các liệu pháp tế bào trong tương lai có thể tự cảm nhận bệnh tật và giải phóng thuốc một cách chính xác.
Dự án mang tính cách mạng này được dẫn dắt bởi nghiên cứu sinh tiến sĩ Keren Roas và tiến sĩ Lior Nissim. Mục tiêu ban đầu của nhóm là giải quyết một bài toán hóc búa mang tính thực tiễn cao: làm thế nào để bắt một tế bào người chỉ phản ứng khi xuất hiện chính xác sự kết hợp của các tín hiệu định trước.
Hãy tưởng tượng một tế bào có nhiệm vụ tiêu diệt ung thư, nó không được phép tấn công bừa bãi ngay khi vừa phát hiện một phân tử khả nghi duy nhất. Ngược lại, nó phải kiên nhẫn phân tích và chờ đợi cho đến khi có hàng loạt dấu hiệu cùng xác nhận về sự tồn tại của một mô bì bị bệnh.
Các mạch di truyền truyền thống trước đây có thể thực hiện nhiệm vụ này, nhưng chúng đòi hỏi phải liên kết chuỗi hàng loạt công tắc phân tử phức tạp, khiến mạch di truyền trở nên quá cồng kềnh và gây quá tải cho tế bào khi vận hành.
Công nghệ cốt lõi được sử dụng là quá trình chuyển đổi cắt nối RNA (RNA trans-splicing), kết hợp với microRNA tổng hợp và các promoter lai để tối giản hóa cấu trúc mạch di truyền so với các phương pháp cũ.
Để giải quyết triệt để rào cản trên, tiến sĩ Nissim và các cộng sự đã tìm ra một hướng tiếp cận tối ưu hơn. Bằng cách sử dụng công nghệ cốt lõi mang tên quá trình chuyển đổi cắt nối RNA (RNA trans-splicing), họ đã giúp các mảnh từ các phân tử RNA riêng biệt có thể tự động liên kết với nhau để tạo ra một thông điệp hoàn chỉnh cho tế bào đọc.
Phương thức này cho phép tế bào thực hiện các chương trình cực kỳ phức tạp nhưng lại tiêu tốn ít tài nguyên tính toán và các khối xây dựng di truyền hơn nhiều. Nhóm nghiên cứu đã tích hợp quy trình này để xây dựng các cổng logic AND - nơi tế bào chỉ kích hoạt đầu ra khi nhận đủ hai tín hiệu đầu vào cùng lúc.
Đồng thời, họ bổ sung các microRNA tổng hợp để tắt các thông điệp không mong muốn và các promoter lai để điều khiển linh hoạt thời điểm bật tắt của gen.
Kết quả thử nghiệm trên tế bào người nuôi cấy tại phòng thí nghiệm mang lại những tín hiệu vô cùng kinh ngạc. Các mạch di truyền không chỉ dừng lại ở lệnh bật tắt đơn thuần, mà một số tế bào đã biết thay đổi phản ứng dựa trên số lượng tín hiệu thu được, hoặc tự lựa chọn một phương án tối ưu trong số nhiều lựa chọn có sẵn.
Đặc biệt, hệ thống còn được trang bị tính năng an toàn tối tân: khi tế bào nhận phải hai lệnh xung đột xuất hiện cùng lúc, thay vì tiếp tục vận hành mù quáng, nó sẽ lập tức phát ra một tín hiệu cảnh báo riêng biệt để báo lỗi. Để chứng minh tính khả thi trong y học, nhóm nghiên cứu đã lập trình thành công cho tế bào tự tiết ra IL-15 - một loại protein miễn dịch có vai trò kích hoạt các tế bào gốc chống lại tế bào ung thư.
Các mạch tế bào trong phòng thí nghiệm đã chứng minh khả năng thực hiện cổng logic AND, đưa ra phản ứng dựa trên số lượng tín hiệu, lựa chọn phương án tối ưu và phát tín hiệu cảnh báo khi gặp lệnh xung đột. Dù đạt thành tựu lớn, công nghệ này vẫn đối mặt nhiều thách thức như kiểm soát tương tác RNA ngoài ý muốn, lỗi rò rỉ công tắc di truyền và việc chèn mạch lớn vào bộ gen trước khi có thể ứng dụng lâm sàng.
Mặc dù mở ra triển vọng to lớn, các tác giả của nghiên cứu cũng thẳng thắn thừa nhận chặng đường phía trước còn rất nhiều rào cản lớn cần vượt qua. Việc chuyển đổi từ môi trường phòng thí nghiệm sang cơ thể người đòi hỏi phải giải quyết triệt để các tương tác RNA ngoài ý muốn, hạn chế tình trạng rò rỉ của các công tắc di truyền và tìm ra phương pháp an toàn để chèn các mạch có kích thước lớn hơn vào bộ gen tế bào.
Các căn bệnh nan y như ung thư, bệnh tự miễn hay rối loạn chuyển hóa rất hiếm khi lộ diện qua một dấu vết đơn lẻ mà luôn là sự tổng hòa của nhiều biến số phức tạp. Do đó, một mạch tế bào thông minh có khả năng kiểm tra chéo các manh mối trước khi giải phóng thuốc hoặc tự hủy chính là chìa khóa vàng cho nền y học tương lai, đưa các tế bào sống tiến gần hơn tới định nghĩa của những thiết bị lập trình siêu nhỏ.
TIN CÙNG CHUYÊN MỤC
Xem theo ngày
