Sử dụng dòng diện, các nhà khoa học đã tìm được cách ‘bật” và ‘tắt’ tế bào

Vi điện tử đã thay đổi cuộc sống của chúng ta. Điện thoại di động, tai nghe, máy khử rung tim... dựa trên các thiết kế sử dụng linh kiện điện tử cực nhỏ. Vi điện tử đã thay đổi cách thức chúng ta thu thập, xử lý và truyền tải thông tin.

Tuy nhiên, do những khoảng cách về kỹ thuật, các thiết bị này chưa tiếp cận mạnh mẽ vào thế giới sinh học. Nhưng những nghiên cứu mới đang giúp chúng ta thu hẹp khoảng cách này. Thay vì dựa vào các tín hiệu thông thường như hormone hoặc các chất dinh dưỡng điều khiển sự thể hiện của các gene, các nhà khoa học đã tạo nên một hệ thống “công tắc” trong tế bào vi khuẩn dựa trên việc nhận biết electron. Công nghệ mới này mở ra tiềm năng cho phép chúng ta lập trình điện thoại hoặc các thiết bị điện tử khác tự phát hiện và điều trị bệnh.

Dòng chảy thông tin trong tế bào

Dòng chảy thông tin là một trong những rào cản mà các nhà khoa học gặp phải khi cố gắng kết nối thiết bị vi điện tử với hệ thống sinh học. Trong sinh học, hầu như tất cả các hoạt động được thực hiện thông qua sự chuyển dịch của các phân tử như glucose, epinephrine, cholesterol, isullin... giữa các tế bào và mô. Các thiết bị vi điện tử không xử lý thông tin bằng những phân tử như vậy. Thiết bị vi điện tử thường sử dụng silicon, vàng, Bo hoặc lưu huỳnh và một nguồn năng lượng cung cấp electron.

Electron tự do không tồn tại trong hệ thống sinh học. Tuy nhiên, các phân tử oxi hóa khử có thể vận chuyển electron một cách ổn định. Chúng hoạt động như dây dẫn điện. Sự khác biệt là trong khi electron có thể dịch chuyển tự do tới bất kì vị trí nào trong dây dẫn, phân tử oxi hóa khử phải trải qua các phản ứng hóa học (oxi hóa hoặc khử) để giải phóng electron.

Điều khiển “bật” và “tắt” tế bào

Tận dụng tính chất của các phân tử oxy hóa khử, các nhà khoa học đã biến đổi gen vi khuẩn để đáp ứng với chúng. Họ muốn các tế bào vi khuẩn có thể “bật” hoặc “tắt” bởi điện áp, lượng điện áp đủ để oxi hóa phân tử có tên pyocyanin. Phân tử pyocyanin oxi hóa bởi điện áp cho phép điều khiển các tế bào đã được lập trình, khiến chúng tổng hợp (bật) hoặc không tổng hợp (tắt) một loại protein huỳnh quang. Nhà nghiên cứu có thể xác định điều gì xảy ra trong tế bào này vì protein huỳnh quang sẽ phát ra ánh sáng xanh lục.

Trong một thí nghiệm khác, “bật” hay “tắt” tế bào vi khuẩn tương ứng với trạng thái "chạy" hoặc “nghỉ” của chúng. Một protein có tên là CheZ điều khiển tỷ lệ thời gian “chạy” của vi khuẩn. Khi các nhà khoa học kích hoạt “công tắc điện tử” của gene CheZ, vi khuẩn có thể di chuyển về phía trước.

Vi khuẩn đáp ứng với phân tử oxy hóa khử được hoạt hóa bởi dòng điện

Tiềm năng ứng dụng

Với bước tiến này, chúng ta có thể tạo ra các thiết bị kích thích vi khuẩn tạo ra thuốc chữa bệnh và vận chuyển chúng đến vị trí nhất định. Ví dụ, khi uống một viên nang vi điện tử, nó có thể nhận ra sự hiện diện của mầm bệnh trong đường tiêu hóa, đồng thời xử lý chúng luôn bằng các vi khuẩn tiết ra kháng sinh (vi khuẩn được gắn sẵn trong viên nang). Tất cả đều nằm trong một hệ thống tự động. Điều này nghe có vẻ xa vời, hoặc viển vông so với những giải pháp khác, nhưng nhóm nhà nghiên cứu vẫn đang làm việc tích cực và cho rằng công nghệ này sẽ có nhiều tiềm năng trong tương lai.

Một điểm thú vị là trạng thái “bật” và “tắt” tạo bởi pyocyanin tương đối yếu. Bằng cách bổ sung một phân tử khác, các nhà khoa học có thể khuếch đại toàn bộ hệ thống. Toàn bộ hệ thống này khá ổn định, có khả năng lặp lại và không ảnh hưởng tiêu cực đến các tế bào.

Theo IFLScience