Kỹ sư sinh hóa lập trình các tế bào như bộ xử lý tín hiệu số

Các nhà sinh học tổng hợp đã bổ xung quá trình xử lý tín hiệu từ analog sang kỹ thuật số có độ chính xác cao vào mạch di truyền của các tế bào sống. Nghiên cứu này mở rộng đáng kể cách ứng dụng các tín hiệu hóa học, vật lý và môi trường nhằm mục đích kích hoạt các phản ứng được lập trình sẵn từ các sinh vật.

Ảnh: Các tế bào được lập trình sẵn để tạo ra các thành phần protein phiên mã (phía trên bên trái) tỷ lệ với cường độ của tín hiệu đến. Khi đạt đến độ tới hạn, các thành phần tự lắp ráp (phía trên bên phải) thành một phức hợp protein bắt đầu phiên mã của gen mục tiêu được lập trình sẵn. Càng nhiều mô-đun phức hợp (dưới, từ trái sang phải), thì phức hợp càng phản ứng mạnh hơn với ngưỡng tới hạn.

Sử dụng một quy trình sinh hóa gọi là “hợp tác”, các nhà nghiên cứu đã thiết kế được các mạch di truyền có thể giải mã các tần số tín hiệu phụ thuộc và tiến hành lọc tín hiệu động.

“Hợp tác kỹ thuật tổng hợp” cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện kiểu xử lý tín hiệu tổ hợp mà các tế bào thực hiện một cách tự nhiên để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp, giống như các quá trình phát triển và phân biệt phôi.

Qua hàng tỷ năm chọn lọc tự nhiên, các tế bào kích hoạt gen quá sớm hoặc quá muộn sẽ bị loại bỏ. Thiên nhiên thường làm điều đó thông qua một quá trình gọi là “tự hợp tác”, trong đó một số protein được gọi là các yếu tố phiên mã tự lắp thành một phức hợp lớn hơn.

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế việc tự hợp tác bằng cách phát minh ra một hệ thống mô đun gồm các thành phần protein tổng hợp có thể lắp thành các phức hợp có kích thước khác nhau. Trong hệ thống này, các tế bào được thiết kế được lập trình để tạo ra các thành phần lắp ráp để đáp ứng với bất kỳ đầu vào nào mà các kỹ sư muốn sử dụng để kích hoạt mạch. Ví dụ, trong các thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã lập trình men để đáp ứng với hai loại thuốc khác nhau được sử dụng ở các nồng độ khác nhau thông qua một thiết bị vi lỏng. Theo cách này, nồng độ của các phân tử thành phần được tạo ra bên trong men tăng và giảm để đáp ứng với đầu vào tương tự - nồng độ của thuốc trong buồng thử nghiệm.

P.T.T (NASATI), theo https://www.nanowerk.com/news2/biotech/newsid=52636.php, 20/4/2019