Trong hàng tỷ năm qua, tạo hóa đã vận hành các tế bào như những cỗ máy sinh học hoàn hảo để sản sinh protein và phản ứng với môi trường. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây được công bố trên tạp chí Nature Communications đã chứng minh con người hoàn toàn có thể làm chủ và tự lập trình các hướng dẫn di truyền này.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hebrew ở Jerusalem 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.
Dù nghiên cứu hiện tại mới dừng lại trong phạm vi phòng thí nghiệm, đây được xem là nền móng vững chắc cho các liệu pháp tế bào thông minh trong tương lai - nơi các tế bào có thể tự tầm soát bệnh tật và chỉ kích hoạt cơ chế điều trị khi đáp ứng đủ các điều kiện an toàn.
Các nhà khoa học tại Đại học Hebrew ở Jerusalem đã thiết kế thành công các mạch tế bào người có khả năng xử lý nhiều tín hiệu, thực hiện phép logic và chọn phản ứng. Nghiên cứu này mở ra tiềm năng cho các liệu pháp tế bào trong tương lai có thể tự cảm nhận bệnh tật và giải phóng thuốc một cách chính xác.
Dự án mang tính cách mạng này được dẫn dắt bởi nghiên cứu sinh tiến sĩ Keren Roas và tiến sĩ Lior Nissim. Mục tiêu ban đầu của nhóm là giải quyết một bài toán hóc búa mang tính thực tiễn cao: làm thế nào để bắt một tế bào người chỉ phản ứng khi xuất hiện chính xác sự kết hợp của các tín hiệu định trước.
Hãy tưởng tượng một tế bào có nhiệm vụ tiêu diệt ung thư, nó không được phép tấn công bừa bãi ngay khi vừa phát hiện một phân tử khả nghi duy nhất. Ngược lại, nó phải kiên nhẫn phân tích và chờ đợi cho đến khi có hàng loạt dấu hiệu cùng xác nhận về sự tồn tại của một mô bì bị bệnh.
Các mạch di truyền truyền thống trước đây có thể thực hiện nhiệm vụ này, nhưng chúng đòi hỏi phải liên kết chuỗi hàng loạt công tắc phân tử phức tạp, khiến mạch di truyền trở nên quá cồng kềnh và gây quá tải cho tế bào khi vận hành.
Công nghệ cốt lõi được sử dụng là quá trình chuyển đổi cắt nối RNA (RNA trans-splicing), kết hợp với microRNA tổng hợp và các promoter lai để tối giản hóa cấu trúc mạch di truyền so với các phương pháp cũ.
Để giải quyết triệt để rào cản trên, tiến sĩ Nissim và các cộng sự đã tìm ra một hướng tiếp cận tối ưu hơn. Bằng cách sử dụng công nghệ cốt lõi mang tên quá trình chuyển đổi cắt nối RNA (RNA trans-splicing), họ đã giúp các mảnh từ các phân tử RNA riêng biệt có thể tự động liên kết với nhau để tạo ra một thông điệp hoàn chỉnh cho tế bào đọc.
Phương thức này cho phép tế bào thực hiện các chương trình cực kỳ phức tạp nhưng lại tiêu tốn ít tài nguyên tính toán và các khối xây dựng di truyền hơn nhiều. 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.
Đồng thời, họ bổ sung các microRNA tổng hợp để tắt các thông điệp không mong muốn và các promoter lai để điều khiển linh hoạt thời điểm bật tắt của gen.
Kết quả thử nghiệm trên tế bào người nuôi cấy tại phòng thí nghiệm mang lại những tín hiệu vô cùng 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 một phương án tối ưu trong số nhiều lựa chọn có sẵn.
Đặc biệt, hệ thống còn được trang bị tính năng an toàn tối tân: khi tế bào nhận phải hai lệnh xung đột xuất hiện cùng lúc, thay vì tiếp tục vận hành mù quáng, nó sẽ lập tức phát ra một tín hiệu cảnh báo riêng biệt để báo lỗi. Để chứng minh tính khả thi trong y học, nhóm nghiên cứu đã lập trình thành công cho tế bào tự tiết ra IL-15 - một loại protein miễn dịch có vai trò kích hoạt các tế bào gốc chống lại tế bào ung thư.
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. 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 có thể ứng dụng lâm sàng.
Mặc dù mở ra triển vọng to lớn, các tác giả của nghiên cứu cũng thẳng thắn thừa nhận chặng đường phía trước còn rất nhiều rào cản lớn cần vượt qua. Việc chuyển đổi từ môi trường phòng thí nghiệm sang cơ thể người đòi hỏi phải giải quyết triệt để các tương tác RNA ngoài ý muốn, hạn chế tình trạng rò rỉ của các công tắc di truyền và tìm ra phương pháp an toàn để chèn các mạch có kích thước lớn hơn vào bộ gen tế bào.
Các căn bệnh nan y như ung thư, bệnh tự miễn hay rối loạn chuyển hóa rất hiếm khi lộ diện qua một dấu vết đơn lẻ mà luôn là sự tổng hòa của nhiều biến số phức tạp. Do đó, một mạch tế bào thông minh có khả năng kiểm tra chéo các manh mối trước khi giải phóng thuốc hoặc tự hủy chính là chìa khóa vàng 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.
Bằng chứng khoa học tìm kiếm suốt một phần tư thế kỷ bất ngờ lộ diện trong bức danh họa cổ từ 414 năm trước
Mới đây, một chương trình nghiên cứu mang tính cá nhân của nhà sinh học bảo tồn Pedro Romero Vidal, thuộc trạm sinh học Doñana (Tây Ban Nha), đã tạo nên một cơn địa chấn nhỏ trong giới khoa học và nghệ thuật.
Trong nỗ lực rà soát các bức họa cổ châu Âu thế kỷ 17 để tìm kiếm dấu vết của các loài động vật ngoại lai, Vidal đã va phải một chi tiết không tưởng ẩn giấu trong bức tranh "Không khí" (Air) được thực hiện vào năm 1611 của danh họa người Hà Lan - Jan Brueghel de Oude.
Bức họa vốn là một sự tụ hội kỳ công của hơn 60 loài chim đại diện cho nguyên tố "Khí" theo quan niệm cổ đại. Tuy nhiên, ở các góc khuất của tác phẩm, Vidal phát hiện ra bốn con dơi. Đáng chú ý, con dơi ở góc trên bên phải không hề bay lượn vô tri, mà trong mỏ đang ngậm chặt một sinh vật nhỏ có lông xù - một chú chim.
Toàn bộ không gian của tác phẩm được lấp đầy bởi những nét vẽ tinh xảo đến mức các nhà điểu học ngày nay có thể dễ dàng nhận diện chính xác từng loài, từ những loài chim bản địa quen thuộc cho đến các loài chim kỳ lạ từ đại dương xa xôi như đà điểu, vẹt đuôi dài và thiên nga. Tuy nhiên, ở các góc khuất thuộc rìa của tác phẩm nghệ thuật này, nhà nghiên cứu Vidal lại phát hiện ra sự xuất hiện của bốn con dơi - vốn là loài động vật bay lượn ban đêm thường bị đánh đồng với các biểu tượng u ám.
Ngay lập tức, phát hiện này được gửi tới hai chuyên gia về dơi là Sonia Sánchez Navarro và Elena Tena. Sự ngỡ ngàng của hai nhà khoa học này là có cơ sở, bởi chỉ trước đó hai tháng, chính họ đã công bố một công trình gây tiếng vang trên tạp chí danh giá Science.
Bài báo lần đầu tiên đưa ra bằng chứng xác thực rằng dơi đêm khổng lồ (Nyctalus lasiopterus) - loài dơi lớn nhất châu Âu - thực sự có hành vi săn bắt các loài chim di cư ngay trên không trung, phá vỡ định kiến cho rằng chúng chỉ ăn côn trùng.
Sự trùng hợp đến mức kỳ lạ giữa khoảnh khắc được đóng băng trong bức tranh sơn dầu có tuổi đời 414 năm và công trình nghiên cứu của thế kỷ 21 đã đặt ra một dấu hỏi lớn cho cả giới nghệ thuật lẫn khoa học: Làm thế nào mà một họa sĩ sống ở đầu thế kỷ 17 lại có thể biết được một tập tính sinh học bí ẩn đến như vậy?
Để có được kết luận này, giới khoa học hiện đại đã phải trải qua một hành trình gian truân kéo dài gần 25 năm. Mọi chuyện bắt đầu từ việc phát hiện những chiếc lông chim oanh vũ sót lại trong phân dơi.
Tiếp theo là các đợt thống kê sinh học cho thấy mật độ tàn tích chim tăng cao vào mùa di cư, và đỉnh điểm là công nghệ giải trình tự DNA khẳng định có tới hơn 30 loài chim nằm trong thực đơn của loài thú bay này.
Cuối cùng, nhờ vào các thiết bị ghi dữ liệu sinh học siêu nhẹ gắn trên lưng dơi, các nhà khoa học mới ghi lại được trọn vẹn một cú áp sát từ độ cao 1.200 mét để bắt chim của dơi đêm khổng lồ.
Sự trùng hợp đến kỳ lạ giữa bức tranh 414 tuổi và công trình khoa học hiện đại đặt ra một câu hỏi lớn: Làm thế nào một họa sĩ ở thế kỷ 17 lại biết được điều này? Vào thời đại của Brueghel, không hề có máy định vị, không có camera hồng ngoại, và ngay tại quê hương Bỉ của ông cũng không có loài dơi đêm khổng lồ sinh sống.
Mặc dù ở thời điểm hiện tại, các học giả vẫn chưa thể đưa ra lời khẳng định tuyệt đối 100% về danh tính phân loại học chính xác của loài dơi cũng như loài chim xuất hiện trong bức tranh do những hạn chế bất khả kháng về độ nét của các nét cọ vẽ tay thời kỳ cổ đại, nhưng mối liên hệ lịch sử này đã mở ra một hướng đi mới đầy triển vọng cho giới khoa học: sử dụng các di sản nghệ thuật kinh điển như một cuốn nhật ký sinh học quý giá để đảo ngược thời gian, tìm kiếm những câu trả lời thiên nhiên mà công nghệ hiện đại đôi khi phải mất hàng thập kỷ tìm kiếm mới có thể chạm tới.
Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng, trong thời gian sinh sống tại Ý khi còn trẻ - nơi có sự phân bố của dơi đêm khổng lồ, danh họa Brueghel có thể đã bắt gặp những chiếc lông chim trong chất thải của dơi, hoặc nghe các câu chuyện kể từ người dân địa phương.
Với nhãn quan sắc bén của một người nghệ sĩ tả thực, ông đã xâu chuỗi các manh mối này lại để tái hiện màn săn mồi trên bức vẽ của mình, thay vì chỉ xem con dơi như một biểu tượng nghệ thuật vô căn cứ. Việc ba con dơi còn lại trong tranh đều bay bình thường càng củng cố giả thuyết hành vi săn chim này được chủ ý khắc họa dựa trên thực tế.
Mặc dù các học giả chưa thể khẳng định tuyệt đối 100% danh tính của loài dơi và loài chim trong tranh do hạn chế về độ nét của các chi tiết vẽ tay thời kỳ đó, nhưng mối liên hệ này đã mở ra một hướng đi mới cho khoa học: sử dụng các di sản nghệ thuật như một cuốn nhật ký sinh học để đảo ngược thời gian, tìm kiếm những câu trả lời mà công nghệ hiện đại đôi khi phải mất hàng thập kỷ mới có thể chạm tới.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét