Một nghiên cứu đột phá được công bố trên tạp chí Nature Communications đã chứng minh khả năng biến tế bào người thành các mạch logic siêu nhỏ có thể tính toán, phân loại tín hiệu và tự phát hiện lỗi hệ thống. Các nhà khoa học tại Đại học Hebrew ở Jerusalem, dẫn đầu bởi nghiên cứu sinh tiến sĩ Keren Roas và tiến sĩ Lior Nissim, đã thiết kế thành công các tế bào người có khả năng xử lý đồng thời nhiều tín hiệu sinh học, thực hiện các phép toán logic đơn giản và tự đưa ra quyết định phản ứng phù hợp.
Bước tiến vượt bậc trong sinh học tổng hợp
Trong hàng tỷ năm, các tế bào hoạt động như những cỗ máy sinh học tự nhiên để sản xuất protein và phản ứng với môi trường. Tuy nhiên, nghiên cứu mới này cho thấy con người có thể chủ động lập trình lại các hướng dẫn di truyền bên trong tế bào. Mục tiêu ban đầu của nhóm là giải quyết bài toán thực tiễn: làm thế nào để tế bào người chỉ phản ứng khi xuất hiện chính xác sự kết hợp của các tín hiệu định trước. Ví dụ, một tế bào được thiết kế để tiêu diệt ung thư không nên tấn công ngay khi phát hiện một phân tử khả nghi duy nhất, mà phải chờ đợi nhiều dấu hiệu xác nhận sự tồn tại của mô bệnh.
Công nghệ cốt lõi: Quá trình chuyển đổi cắt nối RNA
Các mạch di truyền truyền thống trước đây có thể thực hiện nhiệm vụ này, nhưng chúng đòi hỏi liên kết chuỗi nhiều công tắc phân tử phức tạp, dẫn đến kích thước lớn và gây quá tải cho tế bào. Để khắc phục, tiến sĩ Nissim và cộng sự đã áp dụng công nghệ chuyển đổi cắt nối RNA (RNA trans-splicing), cho phép các mảnh RNA riêng biệt tự động liên kết tạo thành thông điệp hoàn chỉnh. Phương pháp này giúp tế bào thực hiện các chương trình phức tạp với ít tài nguyên tính toán và các khối xây dựng di truyền hơn. Nhóm nghiên cứu đã tích hợp quy trình này để xây dựng các cổng logic AND, nơi tế bào chỉ kích hoạt đầu ra khi nhận đủ hai tín hiệu đầu vào cùng lúc. Họ cũng bổ sung microRNA tổng hợp để tắt các thông điệp không mong muốn và các promoter lai để điều khiển thời điểm bật tắt gen.
Kết quả ấn tượng trong phòng thí nghiệm
Thử nghiệm trên tế bào người nuôi cấy mang lại kết quả kinh ngạc. Các mạch di truyền không chỉ dừng lại ở lệnh bật tắt đơn thuần, mà một số tế bào đã biết thay đổi phản ứng dựa trên số lượng tín hiệu thu được, hoặc tự lựa chọn phương án tối ưu trong số nhiều lựa chọn. Đặc biệt, hệ thống được trang bị tính năng an toàn: khi tế bào nhận hai lệnh xung đột cùng lúc, nó phát ra tín hiệu cảnh báo riêng biệt thay vì vận hành mù quáng. Để chứng minh tính khả thi trong y học, nhóm đã lập trình tế bào tự tiết ra IL-15, một protein miễn dịch kích hoạt tế bào gốc chống lại ung thư. Theo tiến sĩ Nissim, "các mạch tế bào trong phòng thí nghiệm đã chứng minh khả năng thực hiện cổng logic AND, đưa ra phản ứng dựa trên số lượng tín hiệu, lựa chọn phương án tối ưu và phát tín hiệu cảnh báo khi gặp lệnh xung đột".
Thách thức và triển vọng cho y học tương lai
Dù đạt thành tựu lớn, công nghệ này vẫn đối mặt nhiều thách thức như kiểm soát tương tác RNA ngoài ý muốn, lỗi rò rỉ công tắc di truyền và việc chèn mạch lớn vào bộ gen trước khi ứng dụng lâm sàng. Các tác giả thừa nhận chặng đường phía trước còn nhiều rào cản. Tuy nhiên, với các bệnh nan y như ung thư, bệnh tự miễn hay rối loạn chuyển hóa thường xuất hiện qua tổng hòa nhiều biến số, một mạch tế bào thông minh có khả năng kiểm tra chéo các manh mối trước khi giải phóng thuốc chính là chìa khóa cho nền y học tương lai, đưa các tế bào sống tiến gần hơn tới định nghĩa của những thiết bị lập trình siêu nhỏ.
