Kiểm soát biểu hiện gen bằng các công tắc gen thông qua một mô hình từ thế giới số từ lâu đã là một trong những mục tiêu chính của sinh học tổng hợp. Kỹ thuật số sử dụng cổng logic để xử lý tín hiệu đầu vào, tạo ra các mạch bên trong, ví dụ, tín hiệu đầu ra C chỉ được tạo ra khi tín hiệu đầu vào A và B xuất hiện đồng thời.

Đến nay, các chuyên gia công nghệ sinh học đã cố gắng xây dựng các mạch số này với sự hỗ trợ của các công tắc gen protein trong các tế bào. Tuy nhiên, một số nhược điểm lớn nảy sinh: chúng không linh hoạt, chỉ có thể chấp nhận thao tác lập trình đơn giản và có khả năng xử lý chỉ một đầu vào tại thời điểm nhất định như một phân tử trao đổi chất cụ thể. Do đó, các quy trình tính toán phức tạp hơn trong các tế bào chỉ có thể được thực hiện trong một số điều kiện nhất định, lại không đáng tin cậy và thường xuyên thất bại. Ngay cả trong thế giới số, các mạch phụ thuộc vào một đầu vào duy nhất dưới dạng các điện tử. Tuy nhiên, các mạch này được bù đắp về tốc độ với khả năng thực hiện 1 tỷ lệnh mỗi giây. Các tế bào có tốc độ chậm hơn, nhưng có thể xử lý đến 100.000 phân tử trao đổi chất khác nhau mỗi giây với vai trò làm đầu vào. Tuy nhiên, các máy tính tế bào trước đây thậm chí còn không thể khai thác hết khả năng tính toán bằng phân tử trao đổi chất khổng lồ của một tế bào ở người.

CPU từ các thành phần sinh học

Một nhóm các nhà nghiên cứu do Martin Fussalanger, Giáo sư Công nghệ sinh học và Kỹ thuật sinh học tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật sinh học thuộc trường Đại học ETH Zurich ở Basel, hiện đã tìm ra cách sử dụng các thành phần sinh học để chế tạo bộ xử lý lõi hoặc bộ xử lý trung tâm (CPU), chấp nhận các phương thức lập trình khác nhau. Bộ xử lý mới được phát triển dựa vào hệ thống CRISPR-Cas9 đã được điều chỉnh và về cơ bản có thể hoạt động với nhiều đầu vào như mong đợi dưới dạng phân tử ARN (được gọi là ARN hướng dẫn). Một biến thể đặc biệt của protein Cas9 tạo thành lõi của bộ xử lý. Để đáp ứng với đầu vào được phân phối bởi các chuỗi ARN hướng dẫn, CPU điều chỉnh biểu hiện của một gen, từ đó tạo ra protein cụ thể. Với phương pháp này, các nhà nghiên cứu có thể lập trình các mạch với khả năng mở rộng trong các tế bào ở người như các mạch cộng nửa kỹ thuật số bao gồm hai đầu vào và hai đầu ra và có thể thêm hai số nhị phân một bảng.

Xử lý mạnh dữ liệu đa lõi

Các nhà nghiên cứu đã tiến thêm một bước để tạo ra bộ xử lý sinh học lõi kép, tương tự như trong thế giới số, bằng cách tích hợp hai lõi vào một tế bào. Để làm điều đó, các nhà khoa học đã sử dụng thành phần CRISPR-Cas9 từ hai loại vi khuẩn khác nhau. Kết quả đã chế tạo được máy tính tế bào đầu tiên có hơn một bộ xử lý lõi. Máy tính sinh học này không chỉ có kích thước cực nhỏ, mà trên lý thuyết có thể được thu nhỏ mọi kích thước. "Hãy tưởng tượng một vi mô với hàng tỷ tế bào, mỗi tế được trang bị bộ xử lý lõi kép của riêng nó. Các cơ quan tính toán này về mặt lý thuyết có thể đạt sức mạnh vượt trội hơn so với siêu máy tính số và chỉ sử dụng một phần năng lượng", GS. Fussenegger nói.

Ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị

Máy tính tế bào có thể được sử dụng để phát hiện các tín hiệu sinh học trong cơ thể như một số sản phẩm trao đổi chất hoặc thông tin hóa học, xử lý và phản ứng với chúng. Với CPU được lập trình đúng cách, các tế bào biểu hiện hai chỉ dấu sinh học khác nhau dưới dạng các tín hiệu đầu vào. Nếu chỉ có chỉ dấu sinh học A, thì máy tính sinh học phản ứng bằng cách tạo nên một phân tử chẩn đoán hoặc dược chất. Nếu máy tính sinh học chỉ đăng ký chỉ dấu sinh học B, thì nó kích hoạt sản sinh một chất khác. Nếu cả hai chỉ dấu sinh học đều có mặt, sẽ gây ra phản ứng thứ ba. Hệ thống này có thể được ứng dụng trong y học như trong điều trị ung thư. "Chúng tôi cũng có thể tích hợp thông tin phản hồi", GS. Fussalanger nói. Ví dụ, nếu chỉ dấu sinh học B với nồng độ nhất định tồn tại trong cơ thể trong một thời gian dài, điều này có thể cho thấy ung thư đang di căn. Máy tính sinh học sau đó sẽ tạo ra một hóa chất mục tiêu phục vụ cho việc điều trị.

Bộ xử lý đa lõi có thể

"Máy tính tế bào xem ra là một ý tưởng rất đột phá, nhưng thực tế không phải vậy", GS. Fussalanger nhấn mạnh. "Cơ thể con người là một máy tính lớn. Quá trình trao đổi chất của cơ thể được thực hiện dựa vào sức mạnh tính toán của hàng nghìn tỷ tế bào kể từ thời xa xưa". Các tế bào này liên tục tiếp nhận thông tin từ thế giới bên ngoài hoặc từ các tế bào khác, xử lý tín hiệu và phản hồi tương ứng dù bằng cách phát ra các thông tin hóa học hoặc kích hoạt các quá trình trao đổi chất. “Và trái ngược với một siêu máy tính kỹ thuật, chiếc máy tính lớn này chỉ cần một lát bánh mì để lấy năng lượng", GS. Fussalanger cho biết. Mục tiêu tiếp theo của nhóm nghiên cứu là tích hợp cấu trúc máy tính đa lõi vào một tế bào. Điều này sẽ mang lại khả năng tính toán thậm chí nhiều hơn so với cấu trúc lõi kép hiện nay.

N.P.D (NASATI), theo https://www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190416081416.htm, 16/4/2019