Sinh học tổng hợp cung cấp một cách để thiết kế các tế bào để thực hiện các chức năng mới, chẳng hạn như phát sáng bằng ánh sáng huỳnh quang khi chúng phát hiện ra một hóa chất nhất định.
Thông thường, điều này được thực hiện bằng cách biến đổi các tế bào để chúng biểu hiện các gen có thể được kích hoạt bởi một đầu vào nhất định.
>> Tham khảo: Các kỹ sư mở đường cho các bộ phận giả vận hành bằng dây thần kinh trong tương lai.
Tuy nhiên, thường có một khoảng thời gian trễ dài giữa một sự kiện chẳng hạn như phát hiện một phân tử và kết quả đầu ra, do thời gian cần thiết để các tế bào phiên mã và dịch mã các gen cần thiết.
Các nhà sinh học tổng hợp của MIT hiện đã phát triển một phương pháp thay thế để thiết kế các mạch như vậy, phương pháp này hoàn toàn dựa vào các tương tác protein-protein nhanh, có thể đảo ngược.
Điều này có nghĩa là không cần đợi gen được phiên mã hoặc dịch mã thành protein, vì vậy các mạch có thể được khởi động nhanh hơn nhiều — chỉ trong vài giây.
“Hiện tại chúng tôi có một phương pháp để thiết kế các tương tác protein xảy ra trong khoảng thời gian rất nhanh, điều mà chưa ai có thể phát triển một cách có hệ thống.
Chúng tôi đang đạt đến điểm có thể thiết kế bất kỳ chức năng nào trong khoảng thời gian vài giây hoặc ít hơn “, Deepak Mishra, cộng tác viên nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Sinh học của MIT và là tác giả chính của nghiên cứu mới cho biết.
Các nhà nghiên cứu cho biết loại mạch này có thể hữu ích để tạo ra các cảm biến hoặc chẩn đoán môi trường có thể tiết lộ tình trạng bệnh hoặc các sự kiện sắp xảy ra như đau tim.
Ron Weiss, giáo sư kỹ thuật sinh học, kỹ thuật điện và khoa học máy tính, là tác giả chính của nghiên cứu, xuất hiện ngày hôm nay trên tạp chí Science.
Các tác giả khác bao gồm Tristan Bepler, cựu tiến sĩ MIT; Bonnie Berger, Giáo sư Toán học Simons và là người đứng đầu nhóm Tính toán và Sinh học trong Phòng thí nghiệm Khoa học Máy tính và Trí tuệ Nhân tạo của MIT; Brian Teague, trợ lý giáo sư tại Đại học Wisconsin; và Jim Broach, chủ tịch Khoa Hóa sinh và Sinh học Phân tử tại Trung tâm Y tế Penn State Hershey.
Tương tác protein
Bên trong các tế bào sống, các tương tác protein-protein là các bước thiết yếu trong nhiều con đường truyền tín hiệu, bao gồm cả những con đường liên quan đến kích hoạt tế bào miễn dịch và phản ứng với hormone hoặc các tín hiệu khác.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu thiết kế chất điện phân thế hệ tiếp theo cho pin kim loại lithium.
Nhiều tương tác trong số này liên quan đến một protein kích hoạt hoặc hủy kích hoạt một protein khác bằng cách thêm hoặc loại bỏ các nhóm hóa học gọi là phốt phát.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các tế bào nấm men để lưu trữ mạch của họ và tạo ra một mạng lưới gồm 14 loại protein từ các loài bao gồm nấm men, vi khuẩn, thực vật và con người.
Các nhà nghiên cứu đã sửa đổi các protein này để chúng có thể điều chỉnh lẫn nhau trong mạng để tạo ra tín hiệu phản ứng với một sự kiện cụ thể.
Mạng của họ, mạch tổng hợp đầu tiên chỉ bao gồm các tương tác protein-protein phosphoryl hóa/khử phospho, được thiết kế như một công tắc bật tắt — một mạch có thể chuyển đổi nhanh chóng và thuận nghịch giữa hai trạng thái ổn định, cho phép nó “ghi nhớ” một sự kiện cụ thể chẳng hạn như khi tiếp xúc với một hóa chất nhất định. Trong trường hợp này, mục tiêu là sorbitol, một loại rượu đường có trong nhiều loại trái cây.
Khi sorbitol được phát hiện, tế bào sẽ lưu trữ ký ức về sự phơi nhiễm, dưới dạng protein huỳnh quang định vị trong nhân. Bộ nhớ này cũng được truyền lại cho các thế hệ tế bào tương lai.
Mạch này cũng có thể được thiết lập lại bằng cách cho nó tiếp xúc với một phân tử khác, trong trường hợp này là một chất hóa học gọi là isopentenyl adenine.
>> Tham khảo: Cải thiện trong nông nghiệp thông minh giúp giảm biến đổi khí hậu.
Các mạng này cũng có thể được lập trình để thực hiện các chức năng khác để đáp ứng với đầu vào. Để chứng minh điều này, các nhà nghiên cứu cũng đã thiết kế một mạch làm tắt khả năng phân chia của tế bào sau khi sorbitol được phát hiện.
Bằng cách sử dụng các mảng lớn của các tế bào này, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các cảm biến siêu nhạy phản ứng với nồng độ của phân tử mục tiêu thấp tới mức phần tỷ.
Và do các tương tác protein-protein nhanh, tín hiệu có thể được kích hoạt chỉ trong một giây. Với các mạch tổng hợp truyền thống, có thể mất hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày để xem đầu ra.
Weiss nói: “Việc chuyển đổi sang tốc độ cực nhanh sẽ thực sự quan trọng trong tương lai trong sinh học tổng hợp và mở rộng các loại ứng dụng khả thi.
Mạng phức tạp
Mạng chuyển đổi mà các nhà nghiên cứu thiết kế trong nghiên cứu này lớn hơn và phức tạp hơn hầu hết các mạch tổng hợp đã được thiết kế trước đây.
Sau khi xây dựng xong, các nhà nghiên cứu tự hỏi liệu có bất kỳ mạng lưới tương tự nào tồn tại trong các tế bào sống hay không.
Sử dụng một mô hình tính toán do họ thiết kế, họ đã phát hiện ra sáu mạng lưới chuyển đổi phức tạp, xuất hiện tự nhiên trong men mà trước đây chưa từng thấy.
“Chúng tôi sẽ không nghĩ đến việc tìm kiếm những thứ đó vì chúng không trực quan. Chúng không nhất thiết phải tối ưu hoặc thanh lịch, nhưng chúng tôi đã tìm thấy nhiều ví dụ về các hành vi chuyển đổi bật tắt như vậy,” Weiss nói.
“Đây là một cách tiếp cận mới, lấy cảm hứng từ kỹ thuật để khám phá các mạng lưới điều tiết trong các hệ thống sinh học.”
Các nhà nghiên cứu hiện hy vọng sẽ sử dụng các mạch dựa trên protein của họ để phát triển các cảm biến có thể được sử dụng để phát hiện các chất gây ô nhiễm môi trường.
>> Tham khảo: Xây dựng vi khuẩn để giữ cho chúng ta khỏe mạnh.
Một ứng dụng tiềm năng khác là triển khai các mạng lưới protein tùy chỉnh trong các tế bào động vật có vú có thể hoạt động như các cảm biến chẩn đoán trong cơ thể con người để phát hiện lượng đường trong máu hoặc hormone bất thường.
Về lâu dài, Weiss hình dung việc thiết kế các mạch có thể được lập trình vào tế bào người để báo cáo việc dùng thuốc quá liều hoặc cơn đau tim sắp xảy ra.
Ông nói: “Bạn có thể gặp tình huống tế bào báo cáo thông tin đó đến một thiết bị điện tử để cảnh báo cho bệnh nhân hoặc bác sĩ và thiết bị điện tử cũng có thể chứa các hóa chất có thể chống lại cú sốc cho hệ thống.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Giải thưởng học giả Siebel, Học bổng nghiên cứu năng lượng Eni-MIT, Chương trình học bổng nghiên cứu sau đại học của Quỹ khoa học quốc gia, Viện công nghệ sinh học hợp tác thông qua Văn phòng nghiên cứu quân đội Hoa Kỳ, trợ cấp SynBERC từ Quỹ khoa học quốc gia và Trung tâm Sinh học Tổng hợp Tích hợp thông qua Viện Y tế Quốc gia.
