Một “bàn tay” tí hon với bốn ngón được gấp từ một mảnh DNA duy nhất có thể bắt giữ virus gây ra COVID-19 để phát hiện bệnh nhanh chóng, đồng thời có khả năng ngăn các hạt virus xâm nhập vào tế bào, các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign báo cáo.
Được gọi là NanoGripper, bàn tay nanorobot này cũng có thể được lập trình để tương tác với các virus khác hoặc nhận diện các dấu hiệu bề mặt tế bào để cung cấp thuốc nhắm mục tiêu, chẳng hạn như trong điều trị ung thư.
Dưới sự hướng dẫn của giáo sư Xing Wang, chuyên gia về kỹ thuật sinh học và hóa học tại Đại học Illinois, nhóm nghiên cứu đã mô tả thành tựu này trên tạp chí Science Robotics.
Lấy cảm hứng từ sức nắm của bàn tay con người và móng vuốt của chim, các nhà nghiên cứu thiết kế NanoGripper với bốn ngón linh hoạt và một lòng bàn tay, tất cả gấp từ một cấu trúc nano duy nhất làm từ DNA. Mỗi ngón tay có ba khớp như ngón tay người, với góc độ và khả năng uốn cong được xác định dựa trên thiết kế của khung DNA (DNA scaffold).
“Chúng tôi muốn tạo ra một robot kích thước siêu nhỏ (nanoscale robot) từ vật liệu mềm, với chức năng nắm bắt chưa từng thấy trước đây, để tương tác với tế bào, virus và các phân tử khác trong ứng dụng y sinh,” Wang chia sẻ. “Chúng tôi sử dụng DNA nhờ vào các đặc tính cấu trúc của nó: mạnh mẽ, linh hoạt và có thể lập trình. Thậm chí trong lĩnh vực gấp DNA (DNA origami field), thiết kế này vẫn là mới mẻ. Chúng tôi gấp một sợi DNA dài qua lại để tạo ra tất cả các phần, bao gồm cả các bộ phận tĩnh và động, chỉ trong một bước.”
Các ngón tay chứa các vùng gọi là aptamer DNA, được lập trình đặc biệt để liên kết với các mục tiêu phân tử — trong ứng dụng đầu tiên là protein gai của virus gây ra COVID-19 — và kích hoạt ngón tay uốn cong để bám lấy mục tiêu. Ở phía đối diện, nơi giống như cổ tay, NanoGripper có thể gắn vào bề mặt hoặc các phức hợp lớn hơn trong các ứng dụng y sinh như cảm biến hoặc cung cấp thuốc. (Aptamer là các phân tử sinh học nhỏ, thường được tạo thành từ các đoạn DNA hay RNA, có khả năng liên kết đặc hiệu với một mục tiêu cụ thể, chẳng hạn như protein, tế bào, hoặc phân tử nhỏ)
Phát hiện COVID-19 nhanh chóng
Để tạo cảm biến phát hiện virus COVID-19, nhóm của Wang hợp tác với giáo sư Brian Cunningham, chuyên gia về cảm biến sinh học tại Đại học Illinois. Họ kết hợp NanoGripper với nền tảng cảm biến tinh thể quang tử để tạo ra xét nghiệm COVID-19 nhanh trong 30 phút, đạt độ nhạy tương đương với xét nghiệm qPCR chuẩn vàng trong bệnh viện nhưng nhanh hơn nhiều.
“Xét nghiệm của chúng tôi rất nhanh và đơn giản vì chúng tôi phát hiện trực tiếp virus nguyên vẹn,” Cunningham nói. “Khi virus bị NanoGripper giữ, một phân tử huỳnh quang được kích hoạt phát sáng khi chiếu sáng bằng đèn LED hoặc laser. Khi nhiều phân tử huỳnh quang tập trung vào một virus duy nhất, hệ thống phát hiện của chúng tôi đủ sáng để đếm từng virus.”
Ngoài chẩn đoán, NanoGripper còn có thể áp dụng trong y học phòng ngừa bằng cách ngăn virus xâm nhập và lây nhiễm vào tế bào, Wang cho biết. Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng khi thêm NanoGripper vào các môi trường nuôi cấy tế bào tiếp xúc với COVID-19, nhiều NanoGripper bám quanh virus, ngăn chặn protein gai tương tác với thụ thể (receptors) trên bề mặt tế bào và ngăn chặn lây nhiễm.
“Áp dụng sau khi một người đã nhiễm có thể rất khó, nhưng chúng tôi có thể sử dụng nó như một liệu pháp phòng ngừa,” Wang nói. “Chúng tôi có thể tạo ra một hợp chất xịt mũi kháng virus. Mũi là điểm nóng cho các virus đường hô hấp như COVID hoặc cúm. Một loại xịt mũi với NanoGripper có thể ngăn virus hít vào tương tác với tế bào trong mũi.”
Tiềm năng lớn hơn
NanoGripper cũng dễ dàng được điều chỉnh để nhắm mục tiêu các virus khác như cúm, HIV hoặc viêm gan B, Wang chia sẻ. Ngoài ra, ông còn hình dung NanoGripper sẽ được sử dụng để cung cấp thuốc nhắm mục tiêu (targeted drug delivery), ví dụ như lập trình các ngón tay nhận diện các dấu hiệu ung thư cụ thể và mang thuốc điều trị trực tiếp đến tế bào mục tiêu.
“Cách tiếp cận này có tiềm năng lớn hơn nhiều so với vài ví dụ chúng tôi đã chứng minh trong công trình này,” Wang nói. “Tất nhiên cần rất nhiều thử nghiệm, nhưng các ứng dụng tiềm năng trong điều trị ung thư và độ nhạy đạt được trong ứng dụng chẩn đoán cho thấy sức mạnh của nanorobot mềm.”
Các nhà nghiên cứu tại Illinois đã phát triển một bàn tay nanorobot làm từ DNA có khả năng nắm bắt virus để phát hiện hoặc ức chế. Trong hình ảnh minh họa này, ba bàn tay “NanoGripper” đang bao quanh một virus COVID-19. Ảnh: Đại học Illinois
Lấy cảm hứng từ bàn tay con người hoặc móng vuốt của chim, NanoGripper có bốn ngón tay và một lòng bàn tay, tất cả được gấp từ một mảnh DNA duy nhất. Ảnh: Đại học Illinois
