Nanorobot tái sử dụng của Đại học Basel tự lắp ráp bằng 'Velcro' DNA, tiêu diệt 84% tế bào ung thư trong phòng thí nghiệm

Hãy tưởng tượng một robot nhỏ đến mức có thể bơi trong dòng máu của bạn, tự lắp ráp theo lệnh, sản xuất thuốc ngay tại chỗ, sau đó được thu hồi, nạp lại 'nhiên liệu' và tái sử dụng. Điều này không còn là khoa học viễn tưởng nữa. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Basel (Thụy Sĩ) đã chế tạo thành công một nanorobot mô-đun, tái sử dụng, tự lắp ráp nhờ 'Velcro phân tử' làm từ DNA và đã chứng minh khả năng tiêu diệt tế bào ung thư trong phòng thí nghiệm [8, 9].

Đứng đầu là Giáo sư Tiến sĩ Cornelia Palivan, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một nanorobot có hình dáng giống như một tên lửa Mặt Trăng thu nhỏ. Nó bao gồm hai mô-đun độc lập — một bộ phận đẩy từ tính và một viên nang chứa 'hàng hóa' — có thể tự động kết nối với nhau khi các sợi DNA bổ sung trên mỗi mô-đun bắt cặp . 'Velcro' DNA này có thể được lập trình, cho phép các mô-đun ghép nối, tách rời và tái ghép nối theo yêu cầu .

Cách thức hoạt động của Nanorobot

Kiến trúc của hệ thống được thiết kế đơn giản một cách có chủ đích và có khả năng thích ứng cao:

• Thiết kế mô-đun: Hai mô-đun riêng biệt, có thể tái cấu hình — một bộ phận đẩy từ tính và một viên nang chứa 'hàng hóa' .
• 'Velcro phân tử' dựa trên DNA: Mỗi mô-đun mang các sợi DNA bổ sung. Khi gặp nhau, các sợi này liên kết, 'khóa' chặt các mô-đun lại với nhau tạo thành một nanorobot hoàn chỉnh. Liên kết này có thể được phá vỡ, cho phép thu hồi từng mô-đun .
• Động cơ đẩy từ tính: Mô-đun đẩy có từ tính, cho phép điều khiển từ bên ngoài. Một từ trường có thể dẫn đường cho robot đến mục tiêu (ví dụ: khối u) và sau đó thu hồi nó để tái sử dụng .
• Viên nang chứa 'hàng hóa': Viên nang chứa bốn túi polymer kích thước nano, mỗi túi chứa đầy các enzyme. Các chất nền đi vào qua các lỗ siêu nhỏ, enzyme biến chúng thành các sản phẩm có hoạt tính (ví dụ: thuốc chống ung thư), và các sản phẩm này được giải phóng ngay tại chỗ. Các túi này cũng có thể được mở một cách có chọn lọc để giải phóng các hợp chất sinh học .
• Khả năng bám dính: Các phân tử sinh học bổ sung trên viên nang cho phép nanorobot bám vào bề mặt của các tế bào hoặc vật liệu cụ thể .

Kết quả thử nghiệm trên tế bào HeLa

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm nanorobot trên tế bào ung thư HeLa, một dòng tế bào người được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu ung thư:

• Các nanorobot tích tụ trên bề mặt tế bào HeLa, được xác nhận bằng đánh dấu huỳnh quang .
• Khi được trang bị các enzyme sản xuất một loại thuốc chống ung thư, nanorobot đã làm giảm tỷ lệ sống của tế bào HeLa xuống còn 16% trong vòng 72 giờ — đồng nghĩa với việc 84% tế bào ung thư đã bị tiêu diệt .
• Hiệu quả đến từ việc sản xuất thuốc tập trung, ngay tại bề mặt tế bào, thay vì phân phối thuốc toàn thân .

Các ứng dụng rộng hơn và các bước tiếp theo

Thiết kế mô-đun có nghĩa là nền tảng này không chỉ giới hạn trong liệu pháp điều trị ung thư. Bằng cách thay đổi viên nang chứa 'hàng hóa', cùng một nanorobot có thể được tái sử dụng cho các vai trò hoàn toàn khác:

• Y học mục tiêu: Đưa các tác nhân điều trị trực tiếp đến khối u hoặc mô bệnh, với mô-đun từ tính cho phép thu hồi và tái sử dụng .
• Xúc tác công nghiệp: Nạp lại viên nang với các enzyme khác nhau cho các phản ứng xúc tác theo yêu cầu trong sản xuất .
• Xử lý môi trường: Các ứng dụng tiềm năng bao gồm lọc nước và phân hủy chất ô nhiễm .
• Khả năng tái sử dụng: Các mô-đun có thể được tách rời, viên nang chứa 'hàng hóa' được nạp lại, và các mô-đun được tái kết hợp — tất cả trong khi bộ phận đẩy từ tính được thu hồi và tái sử dụng .
• Sử dụng trên người: Ứng dụng trên người vẫn là mục tiêu dài hạn, nhưng nền tảng này được thiết kế để dễ dàng thích ứng chỉ bằng cách sửa đổi viên nang chứa 'hàng hóa' .

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202600079). Nó được thực hiện trong khuôn khổ Trung tâm Nghiên cứu Năng lực Quốc gia – Kỹ thuật Hệ thống Phân tử và Viện Khoa học Nano Thụy Sĩ, phối hợp với Đại học Heidelberg [8, 12].