MIT in mạch sống từ vi khuẩn: Đổi cách sắp xếp, đổi phép tính

MIT đã biến các chủng Pantoea agglomerans được thiết kế gene thành những “linh kiện” của một bo mạch sinh học. Hệ thống này không truyền electron như mạch điện tử thông thường. Thay vào đó, các khuẩn lạc phát hiện, tạo ra và chuyển tiếp những phân tử tín hiệu khuếch tán trong môi trường nuôi cấy, từ đó thực hiện logic và phép tính.

Điểm đáng chú ý nằm ở khả năng tái cấu hình. Với cùng một bộ chủng vi khuẩn, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra các mạch khác nhau chỉ bằng cách thay đổi vị trí của từng khuẩn lạc, thay vì phải thiết kế lại chương trình di truyền cho mỗi phép tính.

Vi khuẩn đóng vai trò transistor và “dây dẫn”

Nhóm đã tạo ra hai chủng vi khuẩn có chức năng tương tự transistor, được điều khiển bởi các phân tử nhỏ. Một chủng được kích hoạt bởi phân tử đầu vào OC-6, còn chủng kia bị ức chế bởi phân tử này. Cả hai cũng phản ứng với OC-12 và có thể tạo ra tín hiệu hóa học OHC-14 khi các điều kiện bên trong tế bào phù hợp.

Ba chủng chuyển tiếp bổ sung tiếp nhận OHC-14, sau đó chuyển đổi nó thành các tín hiệu hóa học mà những khuẩn lạc transistor ở phía sau có thể nhận biết. Nếu dây dẫn trong mạch điện truyền tín hiệu giữa các linh kiện, thì ở đây, các khuẩn lạc chuyển tiếp đảm nhiệm việc kết nối bằng cách truyền thông điệp phân tử qua môi trường nuôi cấy.

Cách phân chia này giúp giải quyết một hạn chế quan trọng của mạch gene đơn tế bào. Mỗi chức năng điều hòa bổ sung đều cần thêm bộ máy phân tử; khi quá nhiều chức năng bị dồn vào cùng một tế bào, các yếu tố phiên mã có thể gây nhiễu lẫn nhau và tạo gánh nặng lớn lên quá trình sản xuất protein. Khi các khuẩn lạc được chuyên môn hóa, mỗi chủng chỉ cần thực hiện nhiệm vụ cục bộ của mình.

Vị trí khuẩn lạc trở thành một phần của “chương trình”

Các nhà nghiên cứu in những khuẩn lạc vi khuẩn thành các chấm trên thạch agar, với khoảng cách giữa các khuẩn lạc lân cận khoảng 5 mm. Cách bố trí này giúp định hướng quá trình truyền tín hiệu hóa học từ khuẩn lạc này sang khuẩn lạc tiếp theo.

Quy trình bắt đầu bằng việc thiết kế bố cục in, nuôi các chủng biến đổi gene, rồi đưa chúng lên đĩa thạch theo bố cục đã định. Tài liệu thực nghiệm mô tả việc nuôi các chủng trên môi trường agar chọn lọc và chuẩn bị chúng để in bằng hệ thống nhiều giếng.

Vì vậy, muốn tái cấu hình mạch, nhóm chỉ cần thay đổi mẫu hình không gian: chủng nào được in ở vị trí nào và khuẩn lạc nào nằm cạnh nhau. DNA nền tảng không phải viết lại cho từng mạch mới. Một phần công việc lập trình được chuyển từ kỹ thuật di truyền sang lắp ráp vật lý.

Từ cổng OR đến mạch cộng 24 khuẩn lạc

Kiến trúc này đã được thử nghiệm với những phép toán ngày càng phức tạp, gồm:

• Logic OR: đầu ra được tạo ra khi có ít nhất một trong nhiều đầu vào được kích hoạt.
• Các phép toán dạng kéo theo: kết hợp các đầu vào theo quan hệ logic có điều kiện.
• Bộ giải ghép kênh 1 vào 4: định tuyến một tín hiệu đầu vào đến một trong bốn đầu ra tùy theo các tín hiệu điều khiển.
• Mạch số học, gồm mạch cộng bán phần và mạch cộng đầy đủ.

Mạch cộng đầy đủ lớn nhất sử dụng 24 khuẩn lạc được in trên đĩa. Kết quả này cho thấy phép tính có thể được phân bổ cho một quần thể vi khuẩn phối hợp với nhau, thay vì dồn toàn bộ chức năng vào một tế bào bị quá tải.

Tám giờ là quá chậm với máy tính, nhưng có thể đủ nhanh với sinh học

Mỗi phép tính mất khoảng 8 giờ. Con số này chậm hơn rất nhiều so với logic silicon, nơi các thao tác điện tử diễn ra trên thang thời gian nhanh hơn nhiều bậc. Vì thế, các mạch vi khuẩn này không nhằm thay thế bộ xử lý hoặc thực hiện điện toán số thông thường.

Lợi thế tiềm năng của chúng nằm ở hướng khác: khả năng cảm nhận điều kiện hóa học hoặc sinh học tại chỗ và phản ứng mà không cần một hệ thống điện tử truyền thống. Những quá trình như cây chịu hạn, bị sâu phá hoại hoặc phát triển bệnh thường diễn ra trong nhiều giờ hay nhiều ngày. Trong bối cảnh đó, thời gian phản ứng khoảng 8 giờ có thể vẫn phù hợp với các ứng dụng kiểm soát sinh học.

Nói cách khác, hệ thống đánh đổi tốc độ lấy khả năng tích hợp trực tiếp với môi trường sống. Một mạch sống về nguyên tắc có thể nhận biết tổ hợp tín hiệu ngay tại nơi cần phản ứng, sau đó kích hoạt một đầu ra sinh học.

Tiềm năng trên rễ và lá cây

Một hướng ứng dụng được các nhà nghiên cứu đề cập là môi trường gắn với thực vật. Mạch được đặt trên rễ hoặc lá có thể kết hợp các tín hiệu liên quan đến hạn hán, côn trùng hoặc mầm bệnh, rồi chỉ phản ứng khi phát hiện đúng mẫu tín hiệu.

Trong tương lai, chẳng hạn, hệ thống có thể kích hoạt việc sản xuất hợp chất diệt nấm hoặc một đầu ra khác giúp bảo vệ cây. Đây vẫn là hướng nghiên cứu, chưa phải sản phẩm nông nghiệp đã được chứng minh, nhưng nó cho thấy vì sao tính toán bằng hóa chất vẫn có giá trị dù chậm hơn điện tử rất nhiều.

Một cách tiếp cận khác cho sinh học tổng hợp

Thiết kế mạch gene truyền thống thường tập trung vào câu hỏi: có thể đưa bao nhiêu chức năng vào cùng một tế bào? Kiến trúc của MIT đặt ra câu hỏi khác: nên phân tách các chức năng giữa những quần thể tế bào nào, và sắp xếp các quần thể đó ra sao?

Kỹ thuật di truyền quyết định mỗi chủng có thể làm gì; còn việc in quyết định các khả năng ấy được nối với nhau như thế nào. Nhờ vậy, một thư viện nhỏ gồm các linh kiện sinh học chuyên biệt có thể tạo ra nhiều mạch khác nhau, thay vì phải xây dựng một chủng hoàn toàn mới cho mỗi thiết kế logic.

Nghiên cứu được tài trợ một phần bởi Cơ quan Các dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến của Mỹ (DARPA) và Cơ quan Các dự án Nghiên cứu Tình báo Tiên tiến (IARPA).