EC-MOAN dự án chế tạo máy tính từ trực khuẩn E. Coli

Hệ thống điều chỉnh của vi khuẩn được phân tích đánh giá như là một mạch điện tử tích phân. Các nhà nghiên cứu đã xem đây là nguồn cảm hứng để chế tạo những máy tính tương lai. [www.ec-moan.org]

Theo đánh giá của các nhà khoa học, số lượng vi khuẩn có thể nhiều gấp 10 lần số tế bào trong các mô của cơ thể, vì vậy các lợi ích và bệnh lý do chúng gây ra là rất đáng quan tâm. Một trong những loài vi khuẩn đó là Escherichia coli (E.coli), được phát hiện từ thập niên 1880, đang được nghiên cứu. Đây là loại trực khuẩn gây ra các chứng bệnh như tiêu chảy, viêm ruột dạ dày, viêm đường tiểu… Nhưng điều mà các nhà khoa học quan tâm là bằng cách nào chúng có thể xoay xở một cách tài tình trong môi trường nhiều biến động như ruột non là nơi mà chúng “cắm dùi”? Vấn đề này chắc chắn không những lôi cuốn sự chú ý của nhà sinh vật học mà ngay cả những nhà tin học cũng không thể bỏ qua: hệ thống điều chỉnh sự thích hợp với môi trường của tế bào vi khuẩn giống hệt một cách kỳ lạ với các mạch điện tử của các con chíp.
Vi khuẩn đã bố trí các “phân tử bắt tín hiệu” để có thể thu nhận các tín hiệu thay đổi đến từ môi trường chung quanh, thí dụ như không có chất dinh dưỡng thiết yếu hoặc mật độ “cư dân vi khuẩn” quá dày đặc… Với các tín hiệu stress này, vi khuẩn phản ứng lại bằng nhiều cách khác nhau như: tăng sự di động, thay đổi cấu trúc màng tế bào để tạo “lá chắn” bảo vệ, tổng hợp acid amin đang thiếu trong môi trường… Nhưng bằng cách nào các tín hiệu này được vi khuẩn phân tích và chuyển thành các đáp ứng thích hợp là điều mà các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.

Hệ thống điều chỉnh chịu trách nhiệm về sự đáp ứng này được thực hiện bởi các mạng lưới hợp nhất và rất phức tạp của các phản ứng sinh hoá : chúng được cấu tạo bởi các gen, men và protêin stress (hiện diện trong trường hợp bị stress), ngoài ra còn có các chất biến dưỡng và các phân tử bé nhỏ khác (hình 2). Khoa sinh học phân tử cho phép xác định một phần lớn các thành phần phân tử của các mạng lưới này và những phản ứng mà chúng tham gia. Tuy nhiên để hiểu được chức năng của tập hợp này đòi hỏi phải có các thiết bị hiện đại hơn.
Về lĩnh vực này, tin học là một nguồn cảm hứng. Thật vậy, các con chip điện tử bản thân chúng cũng là những mạng lưới bao gồm các thành phần không đồng nhất (hình 2). Để phân tích chúng, các chuyên gia tin học đã sử dụng các thiết bị tạo mẫu. Các thiết bị này được sử dụng nhiều nhất để kiểm tra độ an toàn và độ chính xác trước khi chuyến sang giai đoạn thực hiện.

H.2 : Mạng điều hoà biến dưỡng trung tâm của E.coli
trong trường hợp môi trường thiếu carbon.        

Giữa các thiết bị này, những công cụ được tạo ra dựa trên các phương pháp thẩm tra kinh điển, được gọi là “Model checking”. Phương pháp này được đề xướng từ thập niên 1980, bao gồm việc xác định một tính chất bằng cách phân tích toàn bộ các tính năng của kiểu mẫu đó. Các thuật toán hữu hiệu được phát triển toàn bộ. Hiện nay, Model checking được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp cũng như trong ngành vi điện tử hàng không.
Như vậy, nếu phương pháp thẩm tra kinh điển này vận hành tốt trong việc phân tích các hệ thống chủ yếu của một máy bay Airbus thì tại sao lại không thể áp dụng để phân tích mạng lưới phức tạp của trực khuẩn E.coli? Từ ý tưởng này, dự án EC-MOAN đã ra đời.
Dự án EC-MOAN hay còn gọi là “Scalable modeling and analysis techniques to study emergent cell behavior : Understanding the E.coli stress response”, được khởi sự từ năm 2007 và kéo dài đến năm 2010. Dự án tập họp các nhà sinh học của Viện đại học Joseph-Fourier (Grenoble) và Viện đại học Libre d’Amsterdam, cũng như các nhà toán học và các chuyên gía tin học của Trung tâm nghiên cứu tin học Amsterdam (CWI), của INRIA Grenoble-Rhône-Alpes, của Viện đại học Twente (Hà Lan) và Viện đại học Masaryk (Cọng hoà Séc). Mục đích của dự án là làm sáng tỏ cơ chế bằng cách nào mà trực khuẩn E.coli có thể điều chỉnh hoạt động để sẵn sàng thích nghi trong môi trường có nguồn cacbon và amôni, 2 chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự tăng trưởng.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển các kiểu mẫu toán học kinh điển, trên nền tảng phương trình tích phân, để mô tả chức năng của các mạch tham gia vào việc kiểm soát sự đồng hoá cacbon và ammoni. Các nhà nghiên cứu biến đổi các kiểu mẫu này thành kiểu tự động, một loại kiểu mẫu được sử dụng để mô tả các mạch điện tử và có thể thẩm tra bằng phương pháp Model checking. Như vậy, các nhà nghiên cứu có thể chứng minh các kiểu mẫu điện toán này (kiểu mẫu tự động) có thể biểu thị cho cách xử lý của E.coli được quan sát trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp thẩm tra kinh điển.
Kết thúc công trình nghiên cứu bước đầu, các nhà khoa học cũng đã có thể xác định được những tính chất kỳ lạ và hữu ích của chức năng hệ thống điều chỉnh mà ta có thể kiểm chứng bằng các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Đặc biệt, khi phân tích hệ thống dưới mạng có kích thước nhỏ hơn, các nhà nghiên cứu đã phát hiện được sự đáp ứng tốt hơn của E.coli đối với nguồn cung cấp đột xuất về glucose (nguồn cacbon). Công trình nghiên cứu này và các công trình tương tự đã cho thấy tầm quan trọng của sự thích ứng của các phương pháp thẩm tra kinh điển về tầm cỡ và sự phức tạp của hệ thống điều chỉnh của vi khuẩn. Giữa các phương pháp đã được thử nghiệm, phương pháp thuật toán song song của Model checking đã cho chúng ta hiểu được cơ chế xử lý của vi khuẩn bằng các mạng lưới toán học.
Từ những hiểu biết khá rõ về sự đáp ứng của vi khuẩn đối với môi trường sinh sống, Dự án EC-MOAN đã mở ra những triển vọng mới và đầy tham vọng. Từ kết quả của các công trình nghiên cứu trên, các nhà khoa học có thể phác hoạ lại mạng lưới điều chỉnh để có thể thay đổi chức năng của vi khuẩn, thí dụ như biến chúng thành “nhà máy” sản xuất thuốc? Hay ngược lại, các nhà khoa học có thể sử dụng sự hiểu biết về những mạng lưới này, trong đó tính mạnh mẽ và sự phân quyền là những ưu điểm, để canh tân cấu trúc máy vi tính hay không? Vấn đề canh tân máy vi tính cho thấy một tương lai đầy hứa hẹn sẽ mở ra. Dự án này không chỉ là ứng dụng tin học vào lĩnh vực sinh học mà ngược lại còn mang lại luồng sinh khí mới khi ứng dụng chức năng sinh học vào tin học.

(Theo LaRecherche)
BS NGUYỄN VĂN THÔNG
DrThong007@gmail.com

Bài này đã được đăng trong Khoa học ngày nay. Đánh dấu đường dẫn tĩnh.

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s