Khoa học tự nhiên

Ngôn ngữ lập trình cho tế bào sống (07/04/2016)

Các kỹ sư sinh học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển một ngôn ngữ lập trình cho phép họ có thể thiết kế một cách nhanh chóng các mạch mã hóa ADN phức tạp có thể tạo ra chức năng mới cho tế bào sống.

Sử dụng ngôn ngữ này, bất cứ ai cũng có thể viết một chương trình cho chức năng mà họ mong muốn, chẳng hạn như phát hiện và phản ứng lại với các điều kiện môi trường nhất định. Sau đó, họ có thể tạo ra một chuỗi ADN có khả năng thực hiện quá trình này.

Các kỹ sư sinh học đến từ MIT đã phát triển một ngôn ngữ lập trình có thể được sử dụng để đem lại các chức năng mới cho vi khuẩn E. coli. Ảnh: Janet Iwasa

Christopher Voigt, Giáo sư kỹ thuật sinh học của MIT cho biết: “Nó thật sự là một ngôn ngữ lập trình cho vi khuẩn. Bạn sử dụng một ngôn ngữ dựa trên văn bản, giống như bạn đang lập trình cho một máy tính. Việc tiếp theo là bạn biên dịch nó và chuyển đổi nó thành một chuỗi ADN và đưa vào tế bào và mạch này sẽ hoạt động bên trong tế bào”.

Voigt và các đồng nghiệp tại Đại học Boston và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ sử dụng ngôn ngữ này để phát triển các mạch có thể phát hiện tới ba yếu tố đầu vào và phản ứng theo những cách khác nhau. Các ứng dụng trong tương lai của phương pháp lập trình này có thể bao gồm việc thiết kế các tế bào vi khuẩn có thể sản xuất ra một loại thuốc điều trị ung thư khi chúng phát hiện có khối u, hoặc tạo ra các tế bào nấm men có thể tự ngăn chặn quá trình lên men của chúng khi quá trình này sản sinh ra quá nhiều các sản phẩm phụ độc hại.

Các nhà nghiên cứu dự định sẽ xây dựng giao diện người dùng trên web cho ngôn ngữ mới này.

Không cần kinh nghiệm

Trong 15 năm qua, các nhà sinh học và các kỹ sư đã thiết kế nhiều bộ phận di truyền, chẳng hạn như cảm biến, công tắc bộ nhớ và đồng hồ sinh học, có thể được kết hợp để sửa đổi các chức năng hiện có của tế bào và bổ sung thêm những chức năng mới. Tuy nhiên, việc thiết kế mỗi loại mạch này là một quá trình tốn nhiều thời gian và cần kiến thức chuyên sâu. Quá trình này cũng cần tiến hành nhiều phương pháp thử - sai. “Bạn cần phải có kiến thức thực sự chuyên sâu về việc những mảnh ghép này sẽ hoạt động như thế nào và chúng sẽ liên kết với nhau như thế nào”, Voigt nói.

Tuy nhiên, người sử dụng ngôn ngữ lập trình mới này không cần phải có kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật di truyền. Ngôn ngữ này được viết dựa trên nền Verilog, một ngôn ngữ thường được sử dụng để lập trình các chip máy tính. Để tạo ra một phiên bản ngôn ngữ áp dụng cho tế bào, các nhà nghiên cứu thiết kế những yếu tố tính toán chẳng hạn như các cổng logic và các bộ cảm biến có thể được mã hóa thành ADN của một tế bào vi khuẩn. Các bộ cảm biến này có thể phát hiện các hợp chất khác nhau, chẳng hạn như oxy hay glucose, cũng như ánh sáng, nhiệt độ, nồng độ axit và các điều kiện môi trường khác. Người dùng cũng có thể bổ sung thêm các bộ cảm biến của riêng họ. Chương trình này có độ tùy chỉnh rất cao.

Ông cho biết, thách thức lớn nhất là thiết kế 14 cổng logic được sử dụng trong các mạch để chúng không gây trở ngại cho nhau khi được đặt trong môi trường phức tạp của một tế bào sống.

Trong phiên bản ngôn ngữ lập trình hiện tại, các bộ phận di truyền được tối ưu hóa cho E. coli, nhưng các nhà nghiên cứu đang làm việc để mở rộng ngôn ngữ cho các chủng vi khuẩn khác, bao gồm cả Bacteroides, thường được tìm thấy trong ruột người và Pseudomonas, thường sống trong rễ cây, cũng như nấm men Saccharomyces cerevisiae. Điều này sẽ cho phép người sử dụng chỉ viết một chương trình và sau đó biên dịch nó cho các sinh vật khác nhau để có được chuỗi ADN thích hợp cho mỗi sinh vật.

Mạch sinh học

Sử dụng ngôn ngữ này, các nhà nghiên cứu lập trình 60 mạch với các chức năng khác nhau và 45 trong số đó làm việc một cách chính xác trong lần kiểm tra đầu tiên. Nhiều trong số các mạch này được thiết kế để đo lường một hoặc nhiều điều kiện môi trường, chẳng hạn như mức độ oxy hay nồng độ glucose, và phản ứng một cách phù hợp. Các mạch khác được thiết kế để xếp hạng ba yếu tố đầu vào khác nhau và sau đó phản ứng dựa trên sự ưu tiên của mỗi loại.

Một trong các mạch mới này là mạch sinh học lớn nhất từng được xây dựng, gồm bảy cổng logic và khoảng 12.000 cặp bazơ của ADN.

Một ưu điểm khác của kỹ thuật này là tốc độ. Trước đây, “sẽ mất nhiều năm để xây dựng các loại mạch này nhưng hiện nay, bạn chỉ cần nhấn nút và ngay lập tức nhận được một chuỗi ADN để thử nghiệm”, Voight nói.

Nhóm nghiên cứu của ông lên kế hoạch nghiên cứu việc áp dụng phương pháp tiếp cận này cho các ứng dụng khác, chẳng hạn như vi khuẩn có thể sống trên rễ cây và sản sinh ra thuốc trừ sâu nếu cảm thấy cây đang bị tấn công và nấm men có thể được thiết kế để tự tắt khi chúng sản xuất quá nhiều sản phẩm phụ độc hại trong quá trình lên men.

Nguồn: vista.gov.vn (Theo Phys.org)