Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Charles Perkins thuộc Đại học Sydney đã tạo ra một hệ thống mang tính đột phá sử dụng thứ mà họ gọi là “trí tuệ nhân tạo sinh học” để phát triển và tinh chỉnh các phân tử có chức năng mới hoặc được cải tiến bên trong tế bào động vật có vú. Theo nhóm nghiên cứu, đổi mới này mang lại cho các nhà khoa học một công cụ mạnh mẽ để tạo ra các công cụ nghiên cứu chính xác hơn và các liệu pháp gen có mục tiêu, nhằm tạo ra các loại thuốc không tưởng.
Hệ thống có tên PROTEUS (viết tắt của PROTein Evolution Using Selection – Tiến hóa Protein bằng Chọn lọc), được xây dựng dựa trên một phương pháp gọi là tiến hóa có định hướng — một quy trình thí nghiệm mô phỏng cách mà tiến hóa tự nhiên vận hành. Khác với tiến hóa tự nhiên có thể mất rất nhiều năm, PROTEUS tăng tốc quá trình này một cách đáng kể, giúp tạo ra các phân tử mới chỉ trong vòng vài tuần.
Đây là một bước tiến đầy hứa hẹn trong việc cải thiện các phương pháp điều trị y học. Một ví dụ là sử dụng PROTEUS để nâng cao hiệu quả của các công nghệ chỉnh sửa gen như CRISPR, giúp các công nghệ này chính xác và hiệu quả hơn trong điều trị.
“Điều này có nghĩa là PROTEUS có thể tạo ra các phân tử mới được tinh chỉnh để hoạt động tối ưu trong cơ thể chúng ta, và chúng tôi có thể dùng nó để chế tạo ra những loại thuốc mà với công nghệ hiện nay rất khó — hoặc không thể — sản xuất,” Giáo sư Greg Neely, đồng tác giả cao cấp và là Trưởng Phòng thí nghiệm Gen học Chức năng Dr. John và Anne Chong tại Đại học Sydney cho biết.
“Điểm mới của công trình này là tiến hóa có định hướng trước đây chỉ hoạt động trong tế bào vi khuẩn, còn PROTEUS có thể thúc đẩy quá trình tiến hóa ngay trong tế bào động vật có vú.”
Trí tuệ nhân tạo sinh học giải bài toán phân tử
PROTEUS có thể được giao một bài toán chưa rõ lời giải — tương tự như cách người dùng đưa ra “đề bài” cho một nền tảng AI. Chẳng hạn, câu hỏi đưa ra có thể là làm thế nào để tắt một gen gây bệnh trong cơ thể người một cách hiệu quả.
PROTEUS sau đó sẽ sử dụng tiến hóa có định hướng để khám phá hàng triệu chuỗi gen tiềm năng chưa từng tồn tại một cách tự nhiên, nhằm tìm ra những phân tử có đặc tính thích nghi cao để giải quyết vấn đề. Nói cách khác, PROTEUS có thể tìm ra lời giải mà một nhà khoa học con người có thể mất nhiều năm — hoặc không bao giờ — tìm được.
Nhóm nghiên cứu cho biết họ đã dùng PROTEUS để phát triển các phiên bản protein có khả năng đáp ứng tốt hơn với thuốc, và các kháng thể nano (phiên bản thu nhỏ của kháng thể) có thể phát hiện tổn thương DNA — một quá trình then chốt trong sự phát triển của ung thư. Tuy nhiên, họ nhấn mạnh PROTEUS không bị giới hạn trong các ứng dụng này mà có thể được dùng để tăng cường chức năng của hầu hết các protein và phân tử.
Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Nature Communications, với phần lớn thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Charles Perkins, Đại học Sydney, phối hợp cùng Viện Centenary.
Mở khóa cho học máy phân tử
Công trình phát triển ban đầu của tiến hóa có định hướng trong vi khuẩn đã được trao Giải Nobel Hóa học năm 2018.
“Việc phát minh ra tiến hóa có định hướng đã thay đổi quỹ đạo của ngành sinh hóa. Giờ đây, với PROTEUS, chúng ta có thể lập trình một tế bào động vật có vú để giải một bài toán di truyền mà ta chưa biết cách giải,” Tiến sĩ Christopher Denes, trưởng nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Charles Perkins và Trường Khoa học Sinh học & Môi trường cho biết.
“Khi để hệ thống này chạy liên tục, chúng tôi có thể kiểm tra định kỳ để hiểu được chính xác hệ thống đã giải bài toán di truyền đó như thế nào.”
Thách thức lớn nhất mà nhóm của Denes gặp phải là đảm bảo tế bào động vật có vú chịu được nhiều chu kỳ tiến hóa và đột biến mà vẫn giữ được sự ổn định, và không “gian lận” bằng cách đưa ra giải pháp dễ dãi không đúng bản chất vấn đề.
Họ phát hiện ra chìa khóa nằm ở việc sử dụng các phần tử lai giống virus — một thiết kế bao gồm việc lấy lớp vỏ ngoài của một loại virus và kết hợp với gen của một loại virus khác — giúp ngăn hệ thống gian lận.
Thiết kế này kết hợp hai họ virus rất khác nhau, tạo ra lợi thế kép. Kết quả là hệ thống cho phép tế bào xử lý song song nhiều giải pháp tiềm năng khác nhau, trong đó các giải pháp tốt hơn sẽ chiếm ưu thế, còn các giải pháp sai sẽ bị loại bỏ.
“PROTEUS ổn định, mạnh mẽ và đã được các phòng thí nghiệm độc lập xác nhận. Chúng tôi hoan nghênh các phòng lab khác áp dụng kỹ thuật này. Thông qua PROTEUS, chúng tôi hy vọng thúc đẩy thế hệ enzyme, công cụ phân tử và liệu pháp điều trị mới,” Tiến sĩ Denes chia sẻ.
“Chúng tôi đã phổ biến hệ thống này ở dạng mã nguồn mở cho cộng đồng nghiên cứu và rất háo hức chờ xem mọi người sẽ sử dụng nó để làm gì. Mục tiêu của chúng tôi là cải tiến công nghệ chỉnh sửa gen, hoặc tinh chỉnh thuốc mRNA để đạt hiệu quả mạnh và chính xác hơn,” Giáo sư Neely nói thêm.
Hệ thống PROTEUS mới giúp protein tiến hóa ngay trong tế bào động vật có vú bằng trí tuệ nhân tạo sinh học, mở ra con đường nhanh hơn cho các liệu pháp gen tiên tiến và công cụ phân tử. Ảnh: Shutterstock
