Chế tạo vật liệu tự nhân bản

Tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu mềm thuộc Đại học New York, Hoa Kỳ, các nhà hóa học và vật lý học tuyên bố đã phát triển những vật liệu nhân tạo có khả năng tự nhân bản. Công trình được đăng trên tạp chí Nature, mở ra hướng nghiên cứu đáng chú ý cho các vật liệu tương lai, nơi cấu trúc và thông tin chế tạo có thể được duy trì qua nhiều thế hệ. Khả năng này không chỉ tạo ra bản sao của một vật thể, mà còn lưu giữ cách các thành phần được sắp xếp để hình thành vật liệu ban đầu. Giáo sư Paul Chaikin, thuộc Khoa Vật lý của Đại học New York và là đồng tác giả nghiên cứu, gọi đây là bước đầu tiên hướng tới vật liệu nhân tạo có thể tự sao chép từ một thành phần tùy ý. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng xây dựng được một quy trình chung, cho phép nhiều loại hạt vật chất được thiết kế theo những trình tự sắp xếp khác nhau. Cách tiếp cận ấy tương tự việc các chữ cái được xếp theo trật tự để tạo thành một từ, chỉ khác rằng đối tượng ở đây là các hạt vật chất và cấu trúc nano. Theo các nhà khoa học, quá trình nhân đôi có thể bảo toàn trình tự sắp xếp, hình dạng hạt, cùng những thông tin cần thiết để sản xuất các thế hệ vật liệu tiếp theo. Ý tưởng này lấy cảm hứng từ DNA, phân tử tự nhiên vốn lưu trữ thông tin di truyền và tạo bản sao nhờ sự kết hợp bổ sung giữa các base. Trong DNA, adenine (A) kết hợp với thymine (T), còn guanine (G) kết hợp với cytosine (C), tạo nên chuỗi xoắn đôi quen thuộc. Thay vì sao chép bằng hệ bốn ký tự của DNA, nhóm Đại học New York phát triển một dạng gạch nhân tạo mang trình tự BTX, gồm các phân tử vật chất bị xoắn cong gấp ba lần. Mỗi phân tử BTX chứa 3 chuỗi xoắn kép DNA, trong khi toàn bộ cấu trúc được tổ chức từ 10 sợi DNA để tạo nên đơn vị có thể tham gia quá trình nhân bản. Thiết kế này biến DNA thành một bộ khung sắp xếp, giúp các nhà nghiên cứu kiểm soát cách những thành phần nhân tạo liên kết với nhau. Điểm khác biệt quan trọng nằm ở việc mã BTX không bị giới hạn trong bốn ký tự như hệ thống ghép cặp base của DNA tự nhiên. Theo nguyên tắc được nêu trong nghiên cứu, hệ thống có thể chứa 10 lũy thừa 15 chữ cái và nhiều loại lát gạch nhân tạo khác nhau. Khả năng phong phú ấy đến từ bốn chuỗi đơn DNA bổ trợ, còn gọi là những “kết thúc dính”, nằm trên mỗi lát gạch và giúp chúng kết nối thành một bó gồm 6 vòng xoắn. Giáo sư Nadrian Seeman, thuộc Khoa Hóa học của Đại học New York và là đồng tác giả nghiên cứu, cho rằng công nghệ này có một thế mạnh đáng kể khi DNA có thể được bố trí theo bất kỳ chu kỳ nhân bản nào. Cấu trúc ấy có thể phối hợp với hầu như bất kỳ vật liệu nào ở kích cỡ nano, khoảng 20 nm, qua đó mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng tiềm năng. Nói cách khác, DNA không chỉ giữ vai trò vật liệu di truyền, mà còn trở thành khuôn mẫu để tổ chức nhiều thành phần nhân tạo cực nhỏ. Danh sách vật liệu có thể được gắn kèm rất rộng, từ các hạt nano kim loại và chất bán dẫn đến những tác nhân sinh học như DNAzymes, ribozymes, aptamers, enzyme hoặc kháng thể. Các thành phần nhựa polime cũng có thể được phối hợp theo nguyên tắc tương tự, nếu chúng được thiết kế để liên kết với hệ thống gạch nhân tạo. Khi đó, quá trình tự nhân bản về lý thuyết có thể truyền lại cả hình dạng, vị trí thành phần và thông tin sản xuất vật liệu. Nghiên cứu hiện mới được mô tả như bước đầu tiên trên con đường tạo ra quy trình tự sao chép diện rộng cho nhiều loại vật chất được thiết kế tùy ý. Công trình được tài trợ bởi Quỹ WM Keck, Chương trình MRSEC của Quỹ Khoa học Quốc gia, Viện khoa học y học quốc gia và Văn phòng nghiên cứu quân đội Hoa Kỳ. NASA cùng Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ cũng hỗ trợ dự án, cho thấy hướng vật liệu tự nhân bản đang nhận được sự quan tâm từ nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau.