Các kỹ sư sinh học tại đại học Stanford đã vừa chế tạo thành công bóng bán dẫn sinh học đầu tiên từ các vật chất di truyền DNA và RNA . Loại bán dẫn sinh học này được gọi là transcriptor và được xem là thành phần cần thiết cuối cùng để phát triển các máy tính sinh học hoạt động bên trong các tế bào sống. Qua đó, tiến một bước gần hơn đến sinh học hóa máy tính, giúp phát hiện những thay đổi trong môi trường tế bào, lưu trữ lịch sử thay đổi trong bộ nhớ của DNA và kích hoạt những hình thức phản hồi, ra lệnh cho một tế bào ngưng tiết insulin hoặc tự hủy nếu phát hiện ung thư.
Bóng bán dẫn do đại học Stanford chế tạo về cơ bản là một sự biến đổi sinh học của bán dẫn điện tử. Nếu như các bán dẫn điện tử kiểm soát dòng điện thì transcriptor lại kiểm soát enzyme RNA polymerase khi nó di chuyển dọc theo một chuỗi DNA. Transcriptor thực hiện điều này bằng các khai thác sự phối hợp đặc biệt của các enzyme integrase điều phối sự chuyển động của RNA trong một phức hợp DNA. Theo Jerome Bonnet, thành viên dự án: “Việc lựa chọn các enzyme rất quan trọng. Chúng tôi rất cẩn thận khi chọn ra các enzyme có tác dụng trong vi khuẩn, nấm, thực vật và động vật, do đó những máy tính sinh học có thể được chế tạo bên trong nhiều cơ thể khác nhau.”
Bóng bán dẫn thông thường có thể biến đổi dòng điện nhỏ thành lớn hơn và transcriptor cũng có tính năng quan trọng tương tự đó là khuếch đại tín hiệu. Một thay đổi dù nhỏ trong hoạt động của enzyme cũng có thể khiến một thay đổi lớn hơn rất nhiều xuất hiện trong các gene liên kết. Bằng cách kết hợp nhiều transcriptor với nhau, nhóm nghiên cứu tại Stanford đã tạo ra một bộ cổng mạch luận lý Boolean Integrase Logic ( BIL ) đầy đủ với thành phần hóa học tương đương với các cổng logic như AND, NAND, OR, XOR, NOR và XNOR. Với các cổng BIL này, một máy tính sinh học có thể thực hiện hầu hết công việc tính toán bên trong một tế bào sống.
Boolean logic trong máy tính thông thường sẽ có dạng 1 và 0. Nếu câu trả lời là đúng, cổng sẽ mở; trả lời sai, cổng đóng. Mở, đóng, bật, tắt, 1 hay 0, tất cả đều rất cơ bản. AND và OR là chỉ 2 trong số những cổng Boolean logic cơ bản nhất. Ví dụ, một cổng AND được cho là “đúng” khi cả 2 dữ liệu đầu vào đều đúng, tức là khi “a” và “b” đúng. Nhưng với cổng OR, ngược lại chỉ đúng khi 1 trong 2 hoặc cả 2 dữ liệu đầu vào đều đúng.
Trong một thiết lập sinh học, những khả năng đối với logic là không giới hạn so với một thiết lập điện tử, Bonnet giải thích. “Bạn có thể kiểm tra liệu rằng một tế bào nào đó đã bị đặt trước một loạt các kích thích bên ngoài hay không, chẳn hạn như sự xuất hiện của đường và caffeine. Các cổng BIL sẽ cho phép bạn xác định và lưu thông tin, do đó bạn có thể dễ dàng phát hiện tế bào nào đã bị kích thích và tế bào nào không,” ông nói.
Mặc dù vây, để phát triển một chiếc máy tính như trên đòi hỏi nhiều thứ hơn là BIL. Bạn sẽ cần đế một nơi nào đó để lưu trữ dữ liệu và những cách thức để kết nối tất cả các transcriptor và bộ nhớ cùng nhau (Bus). May mắn là trong thời gian qua, nhiều nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc lưu trữ dữ liệu vào DNA và Stanford cũng rất khéo léo khi phát triển một cách thức để sử dụng virus M13 để truyền dẫn các phức hợp DNA giữa các tế bào. Nói một cách ngắn gọn, tất cả các yếu tố cần và đủ cho một chiếc máy tính sinh học đã sẵn sàng.
Dĩ nhiên là một chiếc máy tính sinh học chức năng cao sẽ không sớm xuất hiện trong tương lai gần nhưng chúng ta đã bắt đầu thấy sự xuất hiện của những cảm biến sinh học giúp đo đạt và ghi chép những thay đổi trong một môi trường của tế bào. Stanford đã góp phần đưa thiết kế cổng BIL đến cộng đồng khoa học, từ đó cho phép các viện nghiên cứu khác khai thác và phát triển mở rộng để có được chiếc máy tính sinh học đầu tiên.
Tiềm năng của những chiếc máy tính sinh học thật sự rất rộng lớn. Như đã nói ở trên, máy tính sinh học có thể cảm nhận môi trường xung quanh và vận động các tế bào chủ thực hiện mọi thứ. Máy tính sinh học cũng có thể được dùng như một hệ thống cảnh báo sớm đối với những căn bệnh hay đơn giản chỉ là một công cụ chẩn đoán. Chẳng hạn như chúng sẽ cho tế bào chủ biết khi nào phải ngưng tiết insulin, khi nào phải sản xuất xêm adrenaline, khi nào phải tái tạo các tế bào khỏe mạnh để chống lại bệnh tật hoặc khi nào phải ngưng tái tạo nếu phát hiện ung thư. Sự xuất hiện của máy tính sinh học chắc chắn sẽ giúp loại bỏ việc sử dụng nhiều loại dược phẩm chữa bệnh hiện nay.
Theo: Stanford ; ExtremeTech
