Tế Bào Có Thể Bị Hack Và Được Lập Trình Như Máy Tính Thông Thường

Khoảng đầu tháng 04/2017, 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 có thể tiếp tục phát triển, thành quả sẽ cho phép con người đưa ra những chỉ dẫn cụ thể cho tế bào, khiến nó biến đổi theo ý muốn với mục đích chữa bệnh hoặc chế tạo ra các thành tố hóa học khác nhau.

Về cơ bản, các tế bào là những chiếc máy tính siêu nhỏ, chúng cũng biết nhận và xuất thông tin. Chẳng hạn như khi một người uống cà phê sữa vào, đường trong máu sẽ tăng lên và các tế bào tuyến tụy của họ nhận được thông tin, từ đó sẽ xuất thông tin ra dưới dạng insulin – nhân tố làm giảm lượng đường trong máu. Tuy nhiên, “công nghệ máy tính” nằm trong các tế bào không chỉ đơn giản như thế. Trong nhiều 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. Các nhà khoa học 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.

Các tế bào thực hiện những chỉ dẫn 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. Các protein có thể nhận dạng và nhắm vào những điểm cụ thể trên chuỗi ADN, 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.

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 tế bào không còn chứa enzym đó nữa, nó sẽ nhận được lệnh sản xuất ra protein và phát sáng. Tế bào còn có khả năng thực hiện những tác vụ phức tạp hơn, chẳng hạn như vận hành dưới những điều kiện đặc biệt.

Nhà sinh vật học Wilson Wong tới từ Đại học Boston, người dẫn đầu nghiên cứu cho biết, có thể sử dụng những phần tế bào phát sáng 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 tế bào có thể sáng lên sau khi hòa với máu bệnh nhân, điều đó có nghĩa là người thử máu đã mắc căn bệnh đó. Phương pháp chẩn đoán bệnh mới sẽ có giá rẻ hơn rất nhiều so với cách thức thử máu hiện hành.

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 mới. Các tế bào ung thư có những đặc điểm nhận diện của riêng chúng, như một loại protein cụ thể. 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 có thể áp dụng được công nghệ trong nghiên cứu trên vào tế bào, con người sẽ có thể phát hiện hay thậm chí tiêu diệt tế bào ung thư một cách hiệu quả và tinh vi hơn.

Ngoài ra, 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. Điển hình như 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 này 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 thơm 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 cho biết có thể lập trình luôn cả khả năng “tự hủy” cho loại men thơm. Khi chúng tự nhận thấy không còn hoạt động tốt nữa, chúng sẽ tự chết đi, trước khi làm hỏng loạt men khác.

Nhóm của ông Wong không phải là những ý tưởng đầu tiên tiến hành “hack” tế bào, nhưng là những người đầu tiên thành công như vậy. Trong 113 “mạch” được tạo nên, có tới 109 mạch hoạt động được, thực hiện được 109 chỉ dẫn và mệnh lệnh khác nhau.

Thực tế, bản thân tế bào đã cực kì phức tạp, và ADN 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. Những tế bào là những cỗ máy tính tí hon nhưng lại có tuổi đời 3 tỷ năm, và việc “hack” vào một hệ thống già cỗi như vậy hoàn toàn không phải là điều dễ dàng.