Các nhà khoa học vừa tiến hành hack một tế bào, tái lập trình nó như một chiếc máy tính thông thường

Về cơ bản, các tế bào là những chiếc máy tính siêu nhỏ: chúng cũng biết nhận và xuất thông tin. Ví dụ, nếu như bạn uống cà phê sữa vào chẳng hạn, đường trong máu bạn sẽ tăng lên và các tế bào tuyến tụy của bạn nhận được thông tin, từ đó sẽ xuất thông tin ra dưới dạng insulin – nhân tố làm giảm lượng đường trong máu.

Nhưng “công nghệ máy tính” nằm trong các tế bào này không chỉ đơn giản như thế. Trong vài thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu sinh học đã tìm cách “hack” thuật toán bên trong tế bào để có thể giành được quyền điều khiển chúng. Họ đã tìm cách trở thành những “kĩ sư phần mềm” của chính sự sống, nghiên cứu và phân tích cách chỉnh sửa các thuật toán của tế bào – những ADN – nhiều thế hệ nay.

Trong một bài nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Nature Biotechnology, các nhà nghiên cứu đã tái lập trình lại tế bào để có thể tuân theo 109 bộ mã lệnh chỉ dẫn logic. Nếu như tiếp tục phát triển, thành công này có thể cho phép ta đưa ra những chỉ dẫn cụ thể cho tế bào, khiến nó biến đổi theo ý ta muốn với mục đích chữa bệnh cũng như chế tạo ra các thành tố hóa học khác nhau.

Các tế bào thực hiện những chỉ dẫn này thông qua việc sử dụng những protein có tên enzym tái tổ hợp ADN – DNA recombinase, có tác dụng cắt, đảo và kết hợp các phần của ADN. Những protein này có thể nhận dạng và nhắm vào những điểm cụ thể trên chuỗi ADN, và qua đó các nhà nghiên cứu có thể tìm ra cách thức kích hoạt hoạt động của tế bào. Dựa vào loại enzym tái tổ hợp nào được kích hoạt, các tế bào sẽ có thể sản xuất ra loại protein được mã hóa với từng đoạn ADN riêng biệt.

Đây là cách mà nó hoạt động: Mỗi khi tế bào chứa một enzym tái tổ hợp ADN cụ thể, nó sẽ KHÔNG sản xuất ra loại protein khiến cho đoạn gen ấy sáng lên. Nhưng khi mà tế bào không còn chứa enzym ấy nữa, nó sẽ nhận được lệnh là hãy SẢN XUẤT protein đi và phát sáng. Tế bào còn có khả năng thực hiện những tác vụ phức tạp hơn, như là vận hành dưới những điều kiện đặc biệt.

Nhà sinh vật học Wilson Wong tới từ Đại học Boston, người dẫn đầu nghiên cứu này nói rằng họ có thể sử dụng những phần tế bào phát sáng ấy để chẩn đoán bệnh tật, bằng cách kích hoạt chúng với một loại protein đặc biệt liên quan tới những loại bệnh cụ thể. Nếu như tế bào có thể sáng lên sau khi họ hòa chúng với máu bệnh nhân, điều đó có nghĩa là người thử máu đã mắc căn bệnh đó. Đây sẽ là phương pháp chẩn đoán bệnh rẻ hơn rất nhiều so với cách thức thử máu hiện nay.

Nhưng giờ, đừng vội mừng với những ánh sáng đẹp đẽ mà tế bào kia phát ra. “Điểm sáng” của nghiên cứu này chính là việc tế bào hiểu được và có thể thực hiện được chỉ thị một cách chính xác, như một cỗ máy đang trong phiên bản thử nghiệm vậy. Đó là nhận định của nhà sinh vật học Kate Adamala từ Đại học Minnesota, người không thuộc nghiên cứu trên. Như chúng ta biết, bước đầu tiên để xây dựng một mạch điện là “dạy” một bóng đèn LED có thể nhấp nháy theo mệnh lệnh.

Các công ty dược đang tiến hành nghiên cứu nhằm tìm ra cách thức hướng dẫn các tế bào miễn dịch có thể phát hiện được ung thư một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn, với một công nghệ tương tự như trong nghiên cứu trên. Các tế bào ung thư có những “dấu vân tay” – những dấu hiệu nhận biết của riêng chúng, ví dụ như một loại protein cụ thể nào chẳng hạn. Dựa vào đó, công ty Juno Therapeutics đã chỉnh sửa các tế bào miễn dịch khiến chúng phát hiện ra những protein đó nhanh hơn, từ đó phát hiện bệnh ung thư dễ dàng hơn. Nếu như ta có thể áp dụng được công nghệ trong nghiên cứu trên vào tế bào, ta có thể phát hiện hay thậm chí tiêu diệt tế bào ung thư một cách hiệu quả và tinh vi hơn, quá trình này được giám sát chặt chẽ.

Chưa hết, những tế bào có khả năng lập trình được vẫn còn có nhiều ứng dụng khác. Nhiều công ty sử dụng tế bào men được chỉnh sửa gen để tạo ra những hóa chất hữu dụng. Ta có ví dụ là Ginkgo Bioworks, một công ty sử dụng tế bào men để tạo nên mùi hương hơm đặc trưng, sau đó bán cho các công ty nước hoa.

Loại men trên ăn đường cũng giống cách men ủ bia hoạt động, nhưng thay vì sản xuất ra chất có cồn, chúng lại tạo ra những tế bào chất thơm. Tuy nhiên, loại men này vẫn chưa hoàn hảo: chúng biến đổi khi phân chia, và sau nhiều lần phân bào, tế bào sẽ mất đi khả năng vốn có. Narenda Maheshri, một nhà khoa học tại Ginkgo nói rằng bạn có thể lập trình luôn cả khả năng “tự hủy” cho loại men kia. Khi mà chúng tự nhận thấy mình không còn hoạt động được tốt nữa, chúng sẽ tự chết đi, trước khi làm hỏng cả một mẻ lên men thơm.

Nhóm của ông Wong không phải là những người đầu tiên tiến hành “hack” tế bào, nhưng họ lại là những người đầu tiên thành công được nhiều như vậy. Trong 113 “mạch” mà họ tạo nên, có tới 109 mạch hoạt động được (thực hiện được 109 chỉ dẫn và mệnh lệnh khác nhau). “Kinh nghiệm của tôi chỉ ra rằng việc xây dựng một mạch sinh học chỉ thành công được tối đa là 25%”, ông Wong nói. Nhưng giờ đây họ đã có thể cho phép một mạch cơ bản hoạt động, bước tiếp theo sẽ là áp dụng lên thêm nhiều tế bào khác.

Hiển nhiên, một nghiên cứu khó như vậy thì không thể thực hiện nhanh được. Bản thân tế bào đã cực kì phức tạp, và ADN của ta không chỉ đơn giản là tồn tại một nút bật-tắt như một mạch điện thông thường. Trong các mạch mà giáo sư Wong tạo ra, để có thể “tắt” được nó đi, một quá trình sản xuất protein riêng biệt phải được thực hiện và qua đó, biến đổi đoạn ADN có vai trò mã hóa các chỉ thị đưa ra. Nhưng những tế bào – những cỗ máy tính tí hon này – đã có tuổi đời 3 tỷ năm, để “hack” vào một hệ thống sinh ra chính sự sống như vậy, hẳn là không dễ dàng gì.

Tham khảo Wired