Dùng nấm để sản xuất . . .cảm biến sinh học

Một điều đặc biệt là “trái tim” của con chip là một tế bào nấm có tên khoa học Physarum polycephalum (một đại diện của nấm nhầy, thường xuất hiện trên lá mục, gỗ mục và trên đất ẩm). Đây là một loại sinh vật đơn bào, màu vàng chuyển động trên giá thể rắn theo dạng chuyển động amip, và nhiều khi dinh dưỡng theo kiểu động vật (có thể thu nhận các mảnh thức ăn nhỏ như vi trùng, vi khuẩn). Con chip sinh học này được nối với một máy tính thông qua giao diện USB thông thường.

Bên trong con chip, tế bào nấm được bao quanh bởi một số điện cực có nhiệm vụ giám sát tính dẫn tại các điểm khác nhau nhằm phát hiện sự chuyển động của các lưu chất bên trong tế bào. Điều này đem lại một phương pháp thử nghiệm mới đối với loài sinh vật sống này như một công cụ cảm biến và tính toán. Hiện tại, tế bào nấm này sống được bên trong con chip khoảng 1 tuần mặc dù các nhà nghiên cứu hi vọng rằng họ sẽ có thể kéo dài hơn nữa tuổi thọ của nó.

Mặc dù nấm nhầy là nguyên sinh vật (thiếu hệ thống thần kinh trung tâm), nhưng đây lại là đối tượng nghiên cứu thú vị đối với các nhà nghiên cứu vì nó có thể đáp ứng một cách bản năng với các chất xúc tác. Chẳng hạn, tế bào nấm nhầy sẽ bò dần về phía thức ăn và hơi ẩm, nhưng lại né tránh ánh sáng và chất độc. Loại sinh vật này phản ứng thông qua dao động của lưu chất bên trong các vách nguyên sinh trong tế bào.

Nấm nhầy có thể lưu trữ được

Giá trị đọc từ các điện cực được đưa tới một con chip điện tử riêng biệt, con chip này có thể nối với một máy tính thông thường. Hơn nữa, vì nấm nhầy có thể sống sót hàng tháng ở trạng thái bất động, nên các nhà khoa học tin rằng thiết bị này có thể được đóng gói, bảo quản và vận chuyển trong chân không và sau đó được kích hoạt lại bằng hơi ẩm và chất dinh dưỡng.

Một số ống dẫn tới các kênh lưu chất siêu nhỏ, các kênh này được nối với khoang mà tế bào nấm sống trong đó. Nước và thức ăn có thể được truyền vào qua những ống này để suy trì sự sống cho nấm.

Nhóm nghiên cứu đã thử đưa những loại hoá chất khác nhau qua đường ống và đo giá trị của các điện cực để phân tích phản ứng của cơ thể sống này. Nhờ chip sinh học này, họ chỉ mất vài giây để nhận biết sự tồn tại của các chất hữu cơ ở dạng lỏng.

Giáo sư Zauner khẳng định họ muốn muốn thử nghiệm con chip này như một thiết bị cảm biến. Ông cho biết: “Việc khai thác các cơ thể sinh học như vậy thật hấp dẫn bởi vì chúng rất phù hợp cho nhiệm vụ này và có thể duy trì tất cả những hoá chất và phản ứng cần thiết.”

Con chip sinh học này là một phần của một nỗ lực nghiên cứu lớn hơn nhằm khai thác cách sử dụng các sinh vật sống để phát hiện, điều khiển và tính toán, ngoài ra nó còn được đánh giá là một việc tuyệt vời khi tích hợp các thiết bị điện tử thông thường với các chất nền có nguồn gốc từ các sinh vật biến hình. Trước đây, khi hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Đại học Kobe (Nhật Bản) nhóm nghiên cứu của giáo sư Zauner đã chế tạo thành công một robot cỡ nhỏ, có 6 chân mà chuyển động của nó được điều khiển bằng phản ứng của nấm nhầy với ánh sáng. Họ cũng đã chứng minh được rằng có thể sử dụng nấm nhầy để thực hiện các tính toán đơn giản. Họ đã tạo ra các cổng logic Boole - như trong các máy tính thông thường - bằng cách kích thích để tế bào nấm này bò qua một dãy các ống được cấu hình một cách phức tạp.

Loại cổng logic khác thường

Các cổng được bố trí sao cho tế bào nấm trườn vào qua một hay cả hai ống và sau đó đi ra hoặc không đi ra từ một đầu ống. Ví dụ, trong một cổng “AND”, tế bào nấm chỉ ra khỏi ống đầu ra khi nó được đưa vào qua cả hai ống đầu vào. Theo các nhà nghiên cứu, có thể kết nối nhiều ống như vậy để thực hiện những phép tính phức tạp hơn, mặc dù tốc độ vẫn còn khá chậm vì tốc độ di chuyển tối đa của một tế bào nấm nhầy chỉ là 1cm/giờ!

Một ưu điểm đáng chú ý nhất là các cổng logic hoạt động dựa trên phản ứng của nấm nhầy có khả năng tự sửa chữa. Do đó, có lẽ trong một số tình huống nhất định, các cổng logic sinh học sẽ được sử dụng một giải pháp linh hoạt hơn, thay cho các cổng logic điện tử.

GS. Zauner đề xuất rằng loại nấm nhầy biến đổi gen sẽ nâng cao hơn nữa khả năng này. Ông chỉ ra rằng cho đến nay vi khuẩn biến đổi gen cũng đã được sử dụng trong một loạt các cảm biến thân thiện với môi trường. Những cảm biến này phản ứng với các dung dịch hoá chất đặc biệt nhờ kích hoạt các enzim phát quang sinh học.

Nhận định về triển vọng của công nghệ mới này, GS. cho biết: "Các hệ thống lai hoạt động trên cơ chế sinh học có sức hút mạnh mẽ và tôi nghĩ rằng nó sẽ là công nghệ của ương lai. Đó chính là sự kết hợp hoàn hảo giữa những vật chất sống và không sống”.

Nguồn: Tự động hóa ngày nay, số 7, 2007, tr 39