Thông qua khai thác phân tử thông minh, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Y tế thuộc trường Đại học Columbia (CUMC) đã biến đổi hệ miễn dịch của vi khuẩn tự nhiên thành máy ghi dữ liệu siêu nhỏ, đặt nền móng cho một loại hình công nghệ mới sử dụng các tế bào vi khuẩn cho nhiều mục đích từ chẩn đoán bệnh cho đến quan trắc môi trường. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã biến đổi Escherichia coli, chủng vi khuẩn đường ruột phổ biến, cho phép vi khuẩn không chỉ ghi lại các tương tác của nó với môi trường mà còn xác định thời gian của các sự kiện đó.
Harris Wang, Phó giáo sư tại Khoa Bệnh học và Sinh học tế bào của CUMC cho rằng: “Các vi khuẩn này được bệnh nhân đưa vào cơ thể qua đường ăn uống, có thể ghi lại những thay đổi diễn ra trong toàn bộ đường tiêu hóa, giúp quan sát hiện tượng lạ trước đây không thể tiếp cận“. Các ứng dụng khác bao gồm nghiên cứu cảm biến môi trường và nghiên cứu cơ bản về sinh thái và vi sinh học, trong đó, vi khuẩn có thể theo dõi những thay đổi vô hình khác mà không ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo máy ghi dữ liệu mô bằng cách tận dụng CRISPR-Cas, hệ miễn dịch ở nhiều loài vi khuẩn. CRISPR-Cas chép các đoạn ADN từ virus xâm nhập để các thế hệ sau của vi khuẩn có thể đẩy lùi hiệu quả những mầm bệnh này. Kết quả là CRISPR locus của bộ gen vi khuẩn chứa một bản ghi nhớ về thời gian các virus của vi khuẩn đã sinh tồn. Khi các virus này cố gắng lây nhiễm thêm một lần nữa, hệ thống CRISPR-Cas có thể nhận diện và loại bỏ chúng.
CRISPR-Cas thường sử dụng các trình tự được ghi lại để phát hiện và cắt ADN của thể thực khuẩn. Đặc trưng của thao tác cắt ADN này là làm cho CRISPR-Cas trở thành mục tiêu cho các nhà nghiên cứu liệu pháp gen thực hiện biến đổi nó để tạo nên những thay đổi cần thiết trong bộ gen của các tế bào nuôi cấy, động vật trong phòng thí nghiệm và thậm chí cả con người. Hơn mười thử nghiệm lâm sàng hiện đang được tiến hành để điều trị rất nhiều bệnh bằng liệu pháp CRISPR-Cas.
Tuy nhiên, Ravi Sheth, nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của PGS. Wang đã nhìn thấy tiềm năng chưa được khai thác trong chức năng ghi âm của CRISPR-Cas. Ông Sheth cho rằng: “Khi bạn nghĩ về việc ghi lại các tín hiệu thay đổi tạm thời bằng các thiết bị điện tử hoặc máy ghi âm… đó là một công nghệ rất mạnh mẽ, nhưng chúng tôi đang nghĩ cách mở rộng sang các tế bào sống“.
Để chế tạo máy ghi âm siêu nhỏ, nhóm nghiên cứu đã biến đổi mảnh ADN được gọi là plasmid, mang lại cho nó khả năng tạo ra nhiều bản sao trong tế bào vi khuẩn để đáp ứng với tín hiệu bên ngoài. Một plasmid ghi âm riêng biệt cần cho máy ghi âm hoạt động, thể hiện các thành phần của hệ thống CRISPR-Cas. Trong trường hợp không có tín hiệu bên ngoài, chỉ có plasmid ghi âm hoạt động và tế bào bổ sung các bản sao của vùng ADN không mã hóa giữa các gen vào CRISPR locus trong bộ gen của nó. Khi một tín hiệu bên ngoài được phát hiện bởi tế bào, plasmid khác cũng được kích hoạt, dẫn đến việc chèn các chuỗi để thay thế. Kết quả là hỗn hợp các chuỗi cơ sở ghi lại thời gian và các chuỗi tín hiệu thay đổi tùy thuộc vào môi trường của tế bào. Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra CRISPR locus của vi khuẩn và sử dụng các công cụ tính toán để đọc các ghi chép và xác định thời gian. Theo báo cáo nghiên cứu, hệ thống có thể xử lý đồng thời ít nhất 3 tín hiệu và ghi lại trong nhiều ngày.
Các chuyên gia sinh học tổng hợp trước đây đã từng sử dụng CRISPR để lưu trữ thơ, sách và các hình ảnh trong ADN, nhưng đây là lần đầu tiên CRISPR được sử dụng để ghi lại hoạt động của tế bào và xác định thời gian của các sự kiện đó.
N.P.D (NASATI) theo https://phys.org/news/2017-11-world-smallest-tape-built-microbes.html#jCp,