Một kỷ nguyên điện tử mới trong sinh vật sống, không mạch kim loại và không vật liệu bán dẫn

Hầu hết các thiết bị điện tử phục vụ loài người hiện nay, nếu không muốn nói là tất cả, đều được làm nên từ kim loại và bán dẫn. Bạn sẽ không thể tạo ra được một mạch điện chỉ có nhựa hoặc tìm được một con chip máy tính không dùng tới silic.

Thế nhưng, để mở đầu cho một kỷ nguyên điện tử mới, nhiều kỹ sư trên thế giới đang cố gắng dùng sinh học tổng hợp – kỹ thuật “thiết kế” sinh vật sống – để tạo ra những mạch sinh học có khả năng bắt chước nhiều hiệu ứng điện tử kì diệu, giống như những gì mà kim loại và vật liệu bán dẫn đang làm được hiện nay.

Từ những nghiên cứu sinh học tổng hợp ấy, nhiều cấu trúc điện tử như cổng logic và bộ khuyếch đại đã được tạo thành từ vật liệu sinh học như DNA hoặc protein.

Liệu bạn có thể tưởng tượng những gì sẽ diễn ra, khi vi khuẩn làm thay nhiệm vụ cho tụ điện, transistor, hay điốt? Một ngày nào đó, E trong tên gọi của E. coli cũng có thể trở thành Electronic, nghĩa là điện tử.

Một kỷ nguyên điện tử trong sinh vật sống, không mạch kim loại và không vật liệu bán dẫn

Mạch sinh học từ vi khuẩn

Những viễn cảnh phía trên đã được hình dung ra, sau khi một nhóm nghiên cứu từ Đại học Duke chế tạo được một mạch sinh học từ vi khuẩn. Nó bắt chước cơ chế của một mạch điện tử phản hồi âm, thường được sử dụng với mục đích làm ổn định hệ thống (ví dụ khống chế dòng điện trong ổn áp hoặc tốc độ của động cơ).

Nghiên cứu của họ mới được đăng trên tạp chí Nature Biotechnology.

Cơ chế của mạch sinh học được mô tả bằng hình dưới như sau: Có một gen ban đầu (màu xanh nước biển), nó sản sinh ra một protein (xanh nước biển) có chức năng kích hoạt lại sự hoạt động của chính mình. Do đó, một khi gen này đã được kích hoạt, nó sẽ hoạt động mãi mãi.

Thế nhưng, các nhà khoa học đã dùng kỹ thuật gen để ngăn điều này xảy ra, hay chính xác hơn là lợi dụng hiệu ứng để tạo ra mạch phản hồi âm sinh học.

Theo đó, protein màu xanh nước biển cũng kích hoạt sự hoạt động của gen xanh lá (sản sinh ra protein xanh lá) và gen tím (sản sinh ra protein tím). Trong quá trình hoạt động của gen xanh lá, nó sản sinh ra một chất hóa học có thể lan truyền giữa các vi khuẩn, mang theo một tín hiệu bên trong. Protein tím là thứ có thể kết hợp với tín hiệu này, sau đó kích hoạt hai gen khác (xanh lơ và đỏ).

Các nhà khoa học đã thiết kế gen đỏ, khiến nó sản sinh ra một protein (đỏ) có tác dụng phá hủy protein xanh nước biển. Điều này đã tạo ra một vòng phản hồi âm, theo đó, nếu gen xanh nước biển hoạt động, nó sẽ sinh ra một protein có thể quay lại kết thúc sự hoạt động của chính nó.

Các nhà khoa học đã tạo được một mạch phản hồi âm trong vi khuẩn và ứng dụng nó tạo nên một cảm biến áp suất

Nhưng điều mấu chốt ở đây lại là hóa chất mà gen xanh lá tạo ra. Nếu chỉ có một tế bào mang gen duy nhất trong hệ thống, lượng hóa chất tạo ra sẽ nhỏ và khuyếch tán dần hết. Nó không đủ để phối hợp với protein tím dẫn đến các bước của nửa sau vòng lặp.

Vì vậy, sẽ cần rất nhiều tế bào kết hợp lại để tạo ra đủ hóa chất giúp vòng lặp được hoàn thành. Như vậy, mạch phản hồi âm này xảy ra trong tế bào, phụ thuộc một cách nhạy cảm vào việc có bao nhiêu tế bào nữa xung quanh nó.

Lại nói, nếu mạch phản hồi âm được kích hoạt, nó sẽ kích hoạt một gen (xanh lơ), tạo ra protein (xanh lơ) mã hóa một cấu trúc bên ngoài vi khuẩn. Vì vậy, việc sản xuất các cấu trúc ngoài này cũng nhạy cảm với số lượng các tế bào được chỉnh sửa gen đỏ.

Khi các nhà sinh học cũng là kỹ sư

Để chứng minh rằng mạch phản hồi âm từ vi khuẩn có thể được ứng dụng vào thực tế, nhà khoa học đã sử dụng nó để chế tạo ra một cảm biến áp suất.

Họ đã phun vi khuẩn trên một lớp màng rồi nhúng nó vào môi trường dinh dưỡng. Các vi khuẩn lúc này có thể sinh sản và nhân lên thành từng cụm gọi là khuẩn lạc. Kích thước và hình dạng của khuẩn lạc được kiểm soát bằng cách sử dụng các màng có kích thước và cỡ lỗ khác nhau, cho phép lượng chất dinh dưỡng đi qua chúng là khác nhau.

Nhìn chung, các khuẩn lạc sẽ đều có hình tròn, giống như những chiếc nút bấm. Nhưng chiều cao và chiều rộng của những chiếc nút sẽ phụ thuộc vào màng bên dưới.

Ảnh chụp những vị trí khuẩn lạc hình thành trên màng (màu đen) dưới kính hiển vi

Vai trò của mạch phản hồi âm được quan sát thấy, khi các nhà khoa học nhận ra các cấu trúc sinh ra từ protein xanh lơ chỉ bao phủ bên ngoài khuẩn lạc. Bởi nồng độ hóa chất sinh ra bởi gen xanh lá quá cao trong trung tâm khuẩn lạc, nó đã dập tắt vòng mạch phản hồi âm của các vi khuẩn tại đây.

Kết quả là các cấu trúc tạo thành có hình dạng mái vòm rỗng trong chứ không phải nút đặc.

Tiếp đó, các nhà khoa học đã tìm cách gắn hạt nano vàng vào các kháng thể của protein đã hình thành nên mái vòm. Sau đó, các kháng thể này được cho dính vào cấu trúc, tạo ra những mái vòm được phủ vàng.

Để biến tất cả những kết quả này thành linh kiện điện tử, các nhà khoa học đã tạo ra hai màng giống nhau theo cùng một phương pháp, rồi ghép chúng quay những mái vòm nhỏ xíu dát vàng vào nhau. Khi áp lực tác dụng lên màng, các mái vòm của chúng sẽ tiếp xúc với nhau đóng thành mạch kín.

Bạn có thể quan sát được sự làm việc của cảm biến áp suất này trong video dưới đây. Theo đó, nó được thử nghiệm với một bóng đèn led. Khi nhấn càng mạnh, các tiếp xúc giữa mái vòm càng nhiều khiến dòng điện được truyền qua càng mạnh, đèn led sẽ có cường độ sáng lớn và ngược lại.

Thử nghiệm cảm biến áp lực được các nhà khoa học chế tạo từ vi khuẩn

Chưa dừng lại ở đó, các nhà khoa học cho biết họ có thể tạo ra nhiều linh kiện có độ nhạy với áp suất khác nhau, bằng cách kiểm soát dòng chất dinh dưỡng nuôi vi khuẩn. Nếu kết nối được chúng theo chuỗi, họ thậm chí có thể tạo ra một track pad, có thể cảm nhận được vị trí ngón tay di trên đó.

Nhìn chung, phương pháp mà các nhà sinh học trong vai kỹ sư để tạo ra những mạch điện tử bằng vi khuẩn thế này mang trong nó rất nhiều tiềm năng. Vi khuẩn có thể được in theo đường thẳng và các hình dạng khác nhau. Chúng ta cũng có thể liên kết đủ mọi loại vật liệu với kháng thể.

Các vi khuẩn sinh sôi không ngừng, chúng thực sự đã trở thành những người công nhân xây dựng lên cả hệ thống linh kiện. Điều này cho phép chúng ta hình dung một ngày nào đó, kỹ thuật này thậm chí có thể làm thay nhiệm vụ của các máy in 3D.

Các tác giả nghiên cứu cũng hướng đến điều đó. Họ tin rằng phương pháp lắp ráp sinh học dựa trên mạch vi khuẩn của mình tiết kiệm và thân thiện với môi trường, hơn là các phương pháp truyền thống. Ngoài ra, một thực tế rằng các phương pháp kỹ thuật truyền thống rất khó làm việc với đối tượng sinh và hóa học.

Trong khi, tương lai của các cỗ máy phân tử và sinh học đang được mở ra sau giải Nobel Hóa học 2016. Chúng ta đã được chứng kiến những động cơ phân tử, và bây giờ là mạch điện tử sinh học. Ứng dụng của tất cả những tiến bộ khoa học này rất đáng để chờ đón trong tương lai.

Tham khảo Arstechnica, Duke, Nature