Các tế bào tổng hợp, được thiết kế để bắt chước một số chức năng được thực hiện bởi các tế bào sống, hứa hẹn cho các ứng dụng trong công nghệ sinh học và y học. Tuy nhiên, ngay cả những tế bào sinh học nhỏ nhất cũng cực kỳ phức tạp và việc xây dựng các tế bào nhân tạo sống phải đối mặt với nhiều rào cản. Các nhà nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm Schulman tại Đại học Johns Hopkins gần đây đã đạt được tiến bộ đối với một trong những thách thức này: trao đổi vật chất và thông tin qua các ranh giới tế bào.
Viết vào Những tiến bộ khoa học, các nhà nghiên cứu – làm việc trong sự cộng tác với Tập đoàn Aksimentiev tại Đại học Illinois Urbana-Champaign – chứng minh khả năng vận chuyển không bị rò rỉ của các phân tử nhỏ thông qua các kênh nano DNA được thiết kế trên những khoảng cách chưa từng có. Trong tương lai, công việc của họ có thể giúp xây dựng các tế bào nhân tạo, đồng thời hỗ trợ nghiên cứu và thao tác trên mô sống.
Các tế bào trong các sinh vật đa bào cần trao đổi vật chất và giao tiếp để đảm bảo sự tồn tại chung của chúng. Vì mỗi tế bào được bao quanh bởi một màng lipid mà nhiều phân tử sinh học không thể xuyên thủng, nên quá trình tiến hóa đã tạo ra các cơ chế mà nhờ đó rào cản này có thể vượt qua được. Các thụ thể tín hiệu, chất vận chuyển và lỗ chân lông chuyển tiếp thông tin và cho phép các phân tử đi qua giữa các tế bào và bên ngoài của chúng, trong khi các điểm tiếp xúc của tế bào như các mối nối khoảng cách kết nối trực tiếp bên trong các tế bào lân cận và cho phép các phân tử nhỏ khuếch tán từ tế bào này sang tế bào khác.
Để bắt chước các quá trình này trong các hệ thống nhân tạo, “các nhà nghiên cứu đã phát triển các tế bào tổng hợp đặt cạnh nhau có thể giao tiếp thông qua các lỗ protein trên màng của chúng”, tác giả đầu tiên Yi Li, người đồng lãnh đạo nghiên cứu, giải thích. “Tuy nhiên, việc phát triển các hệ thống tế bào tổng hợp nơi các tế bào có thể giao tiếp và trao đổi vật liệu qua khoảng cách xa hơn vẫn là một thách thức.”
Các cấu trúc protein hỗ trợ quá trình giao tiếp giữa các tế bào trong sinh học được xây dựng “từ dưới lên” từ các axit amin – thông tin được mã hóa theo trình tự của chúng chuyển thành một cấu trúc. Một đại phân tử sinh học khác, DNA, được sử dụng chủ yếu để lưu trữ thông tin trong tế bào; nhưng do dễ tổng hợp và có khả năng hình thành các cấu trúc cấp cao, lĩnh vực công nghệ nano DNA đã vượt xa bằng chứng về khái niệm đầu tiên cách đây khoảng 30 năm. Kể từ đó, các nhà khoa học đã lắp ráp các cấu trúc 2D và 3D tinh vi hơn bao giờ hết từ DNA, bao gồm mạng, ống, khối hình học và thậm chí cả các hình vẽ nghệ thuật của khuôn mặt cười, trong những nỗ lực được gọi là origami DNA.
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Schulman đã kết hợp các lỗ nano DNA origami, vốn là cầu nối giữa màng của các túi giống như tế bào và tạo ra các lỗ nhỏ để các phân tử đi qua, với các ống nano DNA tự lắp ráp đã được thiết kế. Bằng cách định lượng dòng chảy của một phân tử thuốc nhuộm vào các túi, họ đã chỉ ra rằng các lỗ nano ngắn làm cho màng thấm được thuốc nhuộm. Họ cũng xác nhận rằng tốc độ vận chuyển này phù hợp với quá trình khuếch tán và phát hiện ra rằng nắp DNA được thiết kế đặc biệt có thể chặn các lỗ và ngăn thuốc nhuộm xâm nhập.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã mở rộng nghiên cứu này sang các ống nano DNA có chiều dài trung bình là 700 nm và tối đa là hơn 2 µm. Một lần nữa, các thí nghiệm cho thấy rằng dòng thuốc nhuộm được tăng cường khi có cấu trúc DNA và nắp có thể ngăn chặn sự thẩm thấu. Li nói, ngụ ý là “các phân tử nhỏ có thể đi qua các ống mà không bị rò rỉ, và chúng tôi hy vọng các phân tử lớn, chẳng hạn như protein, cũng có thể được vận chuyển qua các ống nano này”.
Các thành viên của Nhóm Aksimentiev đã tiến hành mô phỏng máy tính động lực học Brownian của hệ thống thuốc nhuộm nanopore. Những điều này minh họa rằng đối với các phân tử có kích thước dưới ngưỡng, sự rò rỉ qua thành bên của ống DNA chiếm ưu thế dòng chảy vào, trong khi đối với các phân tử lớn hơn, sự khuếch tán từ đầu đến cuối trở thành cơ chế được ưu tiên .
Li giải thích rằng những mô phỏng như vậy bổ sung cho các thí nghiệm theo hai cách. Ông nói: “Chúng có thể được sử dụng làm công cụ thiết kế để giúp các nhà nghiên cứu thiết kế cấu trúc kích thước nano có chức năng cụ thể bằng cách “mô phỏng động học tự lắp ráp của cấu trúc nano DNA của chúng tôi”, nhưng chúng cũng giúp “xác thực kết quả thử nghiệm và cung cấp những hiểu biết bổ sung về các quá trình vật lý”.
Thiết kế DNA tự làm
Rebecca Schulman – người đồng lãnh đạo cuộc nghiên cứu – rút ra một sự tương tự đối với những chiếc tẩu. “Nghiên cứu này gợi ý rất rõ ràng rằng có thể chế tạo các ống nano không bị rò rỉ bằng cách sử dụng các kỹ thuật dễ dàng này để tự lắp ráp, trong đó chúng tôi trộn các phân tử trong một dung dịch và chỉ để chúng tạo thành cấu trúc mà chúng tôi muốn. Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi cũng có thể gắn các ống này vào các điểm cuối khác nhau để tạo thành một thứ giống như hệ thống ống nước.”
Phòng thí nghiệm có những kế hoạch đầy tham vọng để ứng dụng các ống nano này. “Những phát triển trong tương lai bao gồm kết nối hai hoặc nhiều tế bào nhân tạo với các ống nano DNA của chúng tôi và cho thấy sự vận chuyển phân tử giữa chúng. Chúng tôi có khả năng có thể chỉ ra [rằng] việc vận chuyển các phân tử tín hiệu từ một tế bào có thể kích hoạt/hủy kích hoạt biểu hiện gen trong một tế bào khác,” Li nói Thế giới vật lý. Nhóm nghiên cứu cũng hy vọng “sử dụng các ống nano để kiểm soát việc cung cấp các phân tử tín hiệu hoặc liệu pháp điều trị cho các tế bào động vật có vú, hoặc để nghiên cứu các hành vi truyền tín hiệu của tế bào hoặc để phát triển một chiến lược phân phối thuốc”.
