Vi khuẩn biến đổi gen nhớ được tiếp xúc hóa học

"Bạn có thể lưu trữ thông tin rất lâu dài", Timothy Lu, giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính và kỹ thuật sinh học, nói. "Bạn có thể tưởng tượng có hệ thống này trong một loại vi khuẩn sống trong ruột của bạn, hoặc vi khuẩn môi trường. Bạn có thể để vi khuẩn này trong nhiều ngày hoặc nhiều tháng, rồi sau đó quay trở lại và thấy những gì xảy ra ở mức định lượng".

Chiến lược mới này, được mô tả trên tạp chí Khoa học, khắc phục được một số hạn chế của các phương pháp hiện có để chứa bộ nhớ trong hệ gen vi khuẩn, Lu cho biết. Những phương thức đó đòi hỏi một số lượng lớn các yếu tố kiểm soát di truyền, làm hạn chế số lượng thông tin có thể được lưu trữ.

Những nỗ lực trước đây cũng bị giới hạn trong bộ nhớ kỹ thuật số, có nghĩa là chúng chỉ có thể ghi lại tất cả sự kiện hoặc không có gì, chẳng hạn như một sự kiện cụ thể đã xảy ra. Lu và nghiên cứu sinh Fahim Farzadfard, tác giả chính của bài báo, đã tìm cách tạo ra một hệ thống lưu trữ bộ nhớ tương tự (analog), có thể tiết lộ đã có bao nhiêu tiếp xúc, hoặc nó diễn ra trong bao lâu. Để đạt được điều đó, họ đã thiết kế một "gen ghi băng" cho phép các nhà nghiên cứu ghi những thông tin mới vào mọi trình tự ADN của vi khuẩn.

Bộ nhớ bền vững

Để lập trình cho vi khuẩn E. coli chứa bộ nhớ, các nhà nghiên cứu MIT đã sửa đổi các tế bào để sản xuất một enzyme tái tổ hợp, có thể chèn ADN, hay một chuỗi ADN sợi đơn cụ thể, vào một địa điểm mục tiêu. Tuy nhiên, ADN này chỉ được sinh ra khi được kích hoạt bởi sự có mặt một phân tử được xác định trước hoặc một loại đầu vào khác, chẳng hạn như ánh sáng.

Sau khi ADN được sản xuất, enzym tái tổ hợp chèn AND này vào hệ gen của tế bào tại một địa điểm được lập trình sẵn. "Chúng tôi có thể đưa nó bất cứ nơi nào trong hệ gen, đó là lý do tại sao chúng tôi xem nó như là một máy ghi băng, bởi vì bạn có thể hướng thẳng đến chỗ tín hiệu được ghi", Lu nói.

Khi sự tiếp xúc được ghi lại qua quá trình này, những ghi nhớ được lưu trữ suốt đời quần thể vi khuẩn và được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.

Có vài cách khác nhau để lấy thông tin được lưu trữ này. Nếu ADN được đưa vào phần không có chức năng của bộ gen, việc sắp xếp trình tự bộ gen sẽ phát hiện bộ nhớ được lưu trữ trong một tế bào cụ thể nào. Hoặc, các nhà nghiên cứu có thể dùng các sắp xếp để thay đổi một gen. Ví dụ, trong nghiên cứu này, các chuỗi ADN mới bật một gen kháng kháng sinh, cho phép các nhà nghiên cứu xác định có bao nhiêu tế bào đã nhận được các chuỗi nhớ bằng cách thêm kháng sinh vào các tế bào và quan sát bao nhiêu tế bào sống sót.

Bằng cách đo tỷ trọng của các tế bào trong quần thể có trình tự ADN mới, các nhà nghiên cứu có thể xác định đã có bao nhiêu tiếp xúc và nó kéo dài bao lâu. Trong bài báo này, các nhà nghiên cứu sử dụng hệ thống để phát hiện ánh sáng, một chất chuyển hóa lactose gọi IPTG, và một dẫn xuất kháng sinh gọi là ATC, nhưng nó có thể được sửa đổi cho nhiều phân tử khác hoặc thậm chí các tín hiệu do tế bào sinh ra, Lu nói.

Thông tin cũng có thể xóa bằng cách kích thích các tế bào để kết hợp một mảnh ADN khác ở cùng một chỗ. Quá trình này hiện nay chưa hoàn toàn hiệu quả, nhưng đang được các nhà nghiên cứu cải thiện.

"Đây là công trình rất hấp dẫn vì nó tích hợp nhiều tính năng hữu ích trong một hệ thống duy nhất: bộ gen chứa thông tin lâu dài, tương tự, phân tán với nhiều cách truy xuất", Shawn Douglas, một phó giáo sư tại Đại học California tại San Diego cho biết. "Thay vì xử lý từng tế bào riêng lẻ như một thiết bị lưu trữ kỹ thuật số, Farzadfard và Lu xử lý toàn bộ các tế bào như một " ổ cứng" analog, giúp tăng lượng thông tin mà có thể được lưu trữ và truy xuất".

Cảm biến vi khuẩn

Các ứng dụng môi trường cho loại cảm biến này bao gồm giám sát đại dương đối với các mức đioxit carbon, độ chua, hoặc các chất ô nhiễm. Ngoài ra, các vi khuẩn có khả năng được thiết kế để sống trong đường tiêu hóa của con người để theo dõi chế độ ăn uống của một người nào đó, chẳng hạn như bao nhiêu đường hoặc chất béo đang được hấp thụ, hoặc để phát hiện viêm nhiễm trong ruột.

Những vi khuẩn sửa gen này cũng có thể được sử dụng như máy tính sinh học, Lu nói, rằng chúng có thể đặc biệt hữu ích trong các loại tính toán đòi hỏi rất nhiều xử lý song song, ví dụ như chọn các hình mẫu của ảnh.

Một ứng dụng khả dĩ khác là sửa các tế bào não của động vật sống hoặc các tế bào của người nuôi cấy trong đĩa petri cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi một dấu hiệu bệnh nào đó được thể hiện hay một tế bào thần kinh đang hoạt động tại một thời điểm nhất định. "Nếu bạn có thể biến ADN trong một tế bào thành một thiết bị nhớ nhỏ vé của mình rồi sau đó liên kết nói với một thứ mà bạn quan tâm, bạn có thể ghi thông tin đó và sau đó lấy nó ra", Lu nói.