E.coli được biết đến nhiều nhất như là một loại vi khuẩn khiến những người đam mê ẩm thực đường phố cảm thấy có lỗi với dạ dày của mình.

Tuy nhiên, ngoài điều đó ra thì loại vi khuẩn bình thường này có một bộ gen rất dễ chỉnh sửa và giúp ích cho nhân loại nhiều hơn thế – insulin, thuốc kháng sinh, thuốc ung thư, nhiên liệu sinh học, cao su tổng hợp, và giờ đây là một nơi an toàn để lưu trữ những bức ảnh selfie của bạn trong một ngàn năm tới.

Các nhà khoa học từ lâu đã có thể dùng một mẫu ADN thuần trong việc mã hóa và lưu trữ được một lượng thông tin tương đương với toàn bộ 587.287 chữ trong quyển Chiến tranh và Hòa bình, một danh sách tất cả hạt giống thực vật bảo quản trong Kho Svalbard ở Na Uy, và một video âm nhạc OK Go. Giờ đây, họ còn làm được hơn thế: lần đầu tiên người ta đã tạo ra một thư viện sống nhúng trong vi khuẩn E.coli.

Trong một bài báo trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu của Đại học Harvard đã miêu tả việc sử dụng một hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR để chèn các đoạn ADN được mã hóa nội dung là các bức ảnh tĩnh vào trong cơ thể vi khuẩn. Đặc biệt, họ còn “nhét” thêm được một ảnh động GIF của một con ngựa đang phi nước đại vào đó. Khi lấy ra, đoạn dữ liệu được tái tạo bằng cách sắp xếp lại bộ gen của vi khuẩn và đem lại hình ảnh tương tự khi đưa vào với độ chính xác đến 90%.

Nghiên cứu này là một minh chứng thú vị – nếu không nói là phô trương – về việc thể hiện sức mạnh của kỹ thuật CRISPR nhằm biến các tế bào sống thành những kho lưu trữ dữ liệu số. Nhưng câu hỏi thực sự là, tại sao mọi người muốn làm việc này?

Bên trái là các khung hình trong quyển Human and Animal Locomotion của Eadweard Muybridge. Bên phải là các khung hình thu được sau khi nuôi lớn vi khuẩn, được phục hồi bằng cách sắp xếp lại bộ gen của chúng.

Với Jeff Nivala, nghiên cứu sinh tiến sĩ về Di truyền học tại Đại học Y Harvard, việc này không ngoài mục đích biến các tế bào con người (như tế bào thần kinh) thành các thiết bị lưu trữ sinh học.

“Vi khuẩn E. coli chỉ là một bằng chứng chứng minh những điều thú vị mà bạn có thể làm với hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR,” Nivala cho biết. “Mục đích thật sự của chúng tôi là cho phép các tế bào thu thập thông tin về chính chúng và lưu giữ lại trong bộ gen để ta có thể xem lại về sau.” Khái niệm này được gọi là “băng giấy phân tử”, điều mà George Church, người được xem là cha đẻ của sinh học tổng hợp, đã nghĩ đến trước khi Nivala tới phòng thí nghiệm của ông. Nhưng Nivala cho rằng đó là thách thức độc đáo phù hợp với CRISPR.

Với những người không biết thì CRISPR-Cas9 là một công cụ phân tử mang tính cách mạng kết hợp các protein đặc biệt và các phân tử ARN giúp cắt và hiệu chỉnh chính xác các chuỗi ADN. Nó được phát hiện trong các chủng vi khuẩn có hệ thống miễn dịch cổ xưa nhằm chống lại sự tấn công của virus. Cas9 là protein đảm nhiệm mọi công việc cắt, vốn là phần nặng nề nhất trong việc chỉnh sửa gen. Ít được biết đến hơn là Cas1 và Cas2, các protein chỉ thị nơi thực hiện việc cắt cho Cas9.

Phòng thí nghiệm của Church muốn sử dụng hệ thống này để quan sát quá trình tế bào não người phát triển thành nơ ron như thế nào. Nivala nghĩ rằng họ có thể làm việc này nhờ theo dõi Cas1 và Cas2 hoạt động.

Khi virus xâm lấn vào tế bào E.coli, các protein sẽ được phóng ra và lấy đi một mảnh ADN của kẻ tấn công, nhờ đó chúng có thể tái nhập vào bộ gen của vi khuẩn để một enzim khác biến thành một ARN phù hợp. Điều này giúp Cas9 tìm thấy (và sau đó cắt nhỏ) các bản sao của virus trong tế bào.

Điều thú vị là Cas1 và Cas2 không chèn ADN của virus vào bộ gen vi khuẩn một cách tùy hứng. Chỉ khi gặp phải mối đe dọa mới, chúng mới thêm ADN vào theo thứ tự. Điều đó biến một bộ gen tế bào thành một “bản ghi” lưu trữ tạm thời.

Bên trái là hình ảnh một bàn tay người đã được mã hóa thành các nucleotide và được hệ thống chỉnh sửa CRISPR-Cas bắt giữ trong vi khuẩn sống. Bên phải là hình ảnh sau nhiều thế hệ phát triển của vi khuẩn, được phục hồi bằng cách sắp xếp bộ gen của chúng.

Từ đó, Nivala nghĩ rằng các nhà khoa học sẽ có thể sử dụng hệ thống này để ghi lại hoạt động của khớp thần kinh. Giống như một quyển sổ khách mời trong đám cưới, các tín hiệu nhúng trong bộ gen có thể cho các nhà nghiên cứu biết chính xác những nơ ron nào đang trao đổi với nhau ở từng thời điểm, khi chúng phản ứng lại các kích thích khác nhau.

Nếu bạn nghĩ một tế bào giống như một bộ xử lý, thứ này sẽ như một ổ USB có thể cất giữ thông tin để xử lý sau này,” Karin Strauss, nhà nghiên cứu dẫn đầu dự án dữ liệu trên ADN của Microsoft cho biết. Năm ngoái, công ty này đã lập kỷ lục mới –bỏ được 200 megabyte dữ liệu vào tế bào– và có các kế hoạch tạo ra các hệ thống lưu trữ trên ADN hoạt động được vào cuối thập kỷ này.

Việc lưu trữ dữ liệu trên ADN trong ngành công nghệ thông tin là rất khả dĩ bởi việc tổng hợp và sắp xếp chúng ở thời điểm này hoàn toàn có thể thực hiện được. Các ADN dễ kiểm soát hơn và có mật độ ghi dày đặc hơn toàn bộ tế bào,” trích lời Strauss, một nhà nghiên cứu độc lập, chia sẻ.

Một số công ty như Twist Biosciences đã sản xuất thành công ADN tùy biến để chào bán cho khách hàng sử dụng làm công cụ lưu trữ. Nhưng hiện chúng mới chỉ chiếm khoảng 5% công việc kinh doanh của họ. Điều quan trọng là phải cắt giảm chi phí xuống khoảng 10.000 lần trước khi ADN có thể cạnh tranh được với các phương pháp lưu trữ truyền thống. Nhưng lợi ích lâu dài sẽ rất lớn: nếu được cất giữ đúng cách trong môi trường lạnh và khô, ADN có thể bảo toàn dữ liệu trong ít nhất 100.000 năm.

Đó là lý do tại sao các nhà khoa học như Ewan Birney, giám đốc Viện thông tin sinh học châu Âu đang nghiên cứu các công cụ và phương pháp tốt hơn để mở rộng công nghệ lưu trữ trên ADN. Trong tiến trình đó, các tế bào sống tỏ ra không phù hợp vì mức chính xác thấp hơn 100% và dễ bị đột biến qua thời gian, làm giảm tính toàn vẹn của dữ liệu.

Birney chia sẻ với tạp chí Nature: “Việc này không ảnh hưởng lắm đến khả năng lưu trữ trên ADN. Điều gây ấn tượng với tôi là số lượng chỉnh sửa của các nhà khoa học đã đạt được độ chính xác tin cậy cao. Đó là một thành tựu thực sự của công nghệ CRISPR.”

Dù sao, đó là tương lai. Hiện giờ vẫn chưa có lý do nào để đưa album ảnh gia đình bạn sao lưu lên “ổ cứng E. Coli”, các tế bào não vẫn đang làm tốt nhiệm vụ này hơn!

Nguồn: Wired

BÌNH LUẬN

Please enter your comment!
Please enter your name here