Chế tạo bộ vi xử lý sinh học phức tạp từ các cổng logic sinh học

Tại Imperial College London, Vương quốc Anh, các nhà nghiên cứu đang phát triển những cổng logic sinh học, nền tảng tiềm năng cho các thiết bị kỹ thuật số sinh học phức tạp trong tương lai. Ý tưởng này bắt nguồn từ việc đưa cách xử lý thông tin của máy vi tính vào một hệ thống sống, thay vì chỉ sử dụng linh kiện điện tử quen thuộc. Nhóm nghiên cứu đã lập trình lại vi khuẩn E. Coli bằng cách sửa đổi DNA, giúp tế bào thực hiện những chuyển đổi trạng thái bật hoặc tắt có kiểm soát. Cách chuyển đổi ấy tương tự nguyên tắc hoạt động của các cổng logic trong máy vi tính và bộ vi xử lý hiện nay, nơi tín hiệu được xử lý dựa trên những trạng thái nhị phân rõ ràng. Theo Giáo sư Martin Buck, mục tiêu của nhóm là thiết lập một hệ thống chuyển mạch sử dụng các thành phần sinh học vừa nhạy cảm, vừa đủ mạnh để hoạt động ổn định. Hệ thống bước đầu cho phép tạo ra các cổng AND và NOT, hai dạng logic quan trọng để xây dựng những mạch xử lý phức tạp hơn. Để thực hiện điều đó, các nhà khoa học lấy những thành phần di truyền từ một vi khuẩn rồi kiểm soát chặt chẽ quá trình biểu hiện của chúng trong tế bào. Toàn bộ hệ thống di truyền được thiết kế để phụ thuộc vào hai trạng thái cơ bản, bật hoặc tắt, được kích hoạt đúng thời điểm theo yêu cầu. Nhờ vậy, vi khuẩn không chỉ tồn tại như một sinh vật đơn giản, mà còn có thể thực hiện những thao tác xử lý tín hiệu được lập trình trước. Sự tồn tại của các cổng logic sinh học từng được chứng minh, tuy nhiên bước phát triển đáng chú ý nằm ở khả năng lắp ráp chúng thành những hệ thống lớn hơn. Khi nhiều cổng được kết hợp, chúng có thể tạo ra các phiên bản logic phức tạp, mở đường cho việc thiết kế những bộ vi xử lý sinh học trong tương lai. Cách tiếp cận này biến từng cổng logic thành một khối xây dựng nhỏ, tương tự linh kiện cơ bản trong các mạch điện tử truyền thống. Các nhà nghiên cứu hình dung những khối xây dựng sinh học ấy có thể tạo nên các máy vi tính sinh học siêu nhỏ, hoạt động ngay trong môi trường của cơ thể. Những thiết bị này không cần mang hình dáng của máy tính thông thường, bởi chúng có thể được tạo thành từ tế bào, DNA và các thành phần di truyền được điều khiển chính xác. Khả năng xử lý thông tin trong một hệ thống sống mở ra hướng nghiên cứu mới, kết hợp kỹ thuật di truyền với nguyên lý thiết kế kỹ thuật số. Một ứng dụng được các nhà nghiên cứu đề cập là những cảm biến sinh học có khả năng bơi bên trong các động mạch của con người. Chúng có thể phát hiện các yếu tố gây bệnh, sau đó nhanh chóng cung cấp thuốc đặc trị tới đúng khu vực đang bị ảnh hưởng. Viễn cảnh này cho thấy thiết bị kỹ thuật số sinh học có thể vừa nhận biết vấn đề, vừa phản ứng với vấn đề bằng một phương thức phù hợp hơn với cơ thể. Dù triển vọng rộng, công nghệ vẫn đối mặt với một trở ngại chính: các thành phần sinh học hiện chưa được mô tả đầy đủ và chi tiết như những linh kiện kỹ thuật thông thường. Sự thiếu hụt thông tin khiến việc lắp ghép nhiều cổng logic sinh học với nhau trở nên khó khăn, bởi một bộ phận có thể hoạt động khác nhau tùy môi trường xung quanh. Giáo sư Buck nhấn mạnh rằng mỗi thành phần sinh học cần sở hữu những đặc điểm phù hợp với bối cảnh sử dụng, nếu muốn toàn bộ hệ thống vận hành đáng tin cậy. Vì thế, nhiệm vụ tiếp theo không chỉ là tạo thêm cổng AND hoặc NOT, mà còn phải hiểu rõ cách từng thành phần phản ứng khi được đặt trong những hệ thống khác nhau. Khi việc mô tả, kiểm soát và kết nối các bộ phận sinh học được cải thiện, những mạch logic phức tạp hơn sẽ có cơ hội trở thành hiện thực. Nghiên cứu tại Imperial College London hiện đặt nền móng cho một hướng công nghệ, nơi vi khuẩn được lập trình để xử lý thông tin và hỗ trợ các thiết bị y sinh siêu nhỏ trong tương lai.