Đột phá trong việc dùng DNA để ghi nhớ dữ liệu hình ảnh

Thứ Sáu, 14/07/2017, 07:05:50
 Font Size:     |        Print
 

Hình ảnh bàn tay gốc (trái) và hình ảnh tái tạo bằng các thông tin đọc ra từ DNA.

NDĐT - Các nhà khoa học Mỹ đã ghi thành công một hình ảnh và đoạn phim có 5 khung hình lên một đoạn DNA của vi khuẩn, mở ra triển vọng sử dụng vi khuẩn như một phương tiện lưu trữ thông tin với khả năng lưu trữ vô cùng lớn.

Đây là lần đầu tiên, người ta có thể ghi lại được một đoạn hình ảnh động lên chuỗi DNA của một tế bào sống, nơi người ta có thể đọc dữ liệu và nhân lên vô số lần khi tế bào chủ phân chia và phát triển. Các nhà khoa học đã công bố kết quả nghiên cứu của mình trên tạp chí khoa học Nature danh tiếng.

Trong thí nghiệm của mình, các nhà khoa học từ trường ĐH Havard, (Mỹ) đã sử dụng hình ảnh một bàn tay người và một đoạn video dưới dạng file ảnh động định dạng GIF bao gồm 5 khung hình chiếu cảnh một con ngựa đang phi nước đại trong đoạn phim mà Eadweard Muybridge đã quay từ cuối Thế kỷ 19.

Để chèn được các thông tin này vào gene của vi khuẩn, các nhà khoa học đã dữ liệu truyền hình ảnh và các khung hình đoạn phim vào các nucleotides (các khối tạo nên DNA), và tạo ra một đoạn mã liên quan tới mỗi điểm của các hình ảnh. Sau đó, nhờ công cụ sửa đổi gene Crispr, nhóm nghiên cứu đã dùng hai protein để chèn các mã di truyền vào DNA của các tế bào E.Coli. Còn đối với các khung hình GIF, chuỗi hình ảnh sẽ được đưa dần từng hình ảnh vào các tế bào vi khuẩn.

Nhà khoa học Seth Shipman, một thành viên trong nhóm nghiên cứu cho biết các dữ liệu sau đó đã phân tán ra khắp các gene của nhiều vi khuẩn thay vì chỉ một. Ông nói: “Thông tin không chỉ được chưa trong một tế bảo, bởi vậy chúng ta chỉ có thể nhìn thấy những bit dữ liệu nhất định trong mỗi tế bào độc lập. Bởi vậy, điều chúng tôi cần làm là phải tái tạo lại toàn bộ đoạn phim từ những phần khác nhau”.

Để “đọc” lại những thông tin, các nhà khoa học đã sắp xếp lại các DNA của vi khuẩn và sử dụng một đoạn mã máy tính đặc biệt để phục hồi các thông tin di truyền và từ đó tái tạo lại các hình ảnh. Với phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã có thể khôi phục lại được các hình ảnh có độ chính xác lên tới 90%. Ông Seth Shipman khẳng định ông rất hài lòng với kết quả đã đạt được và cho biết nhóm nghiên cứu muốn sử dụng kỹ thuật này để tạo ra các “máy ghi hình phân tử”.

Với thành công này, các nhà khoa học đã nghĩ tới triển vọng một ngày nào đó sẽ có thể lập trình một vi khuẩn rồi đưa nó vào một tế bào trong cơ thể người, ghi lại những hoạt động của tế bào. Tiến sĩ Shipman tin rằng những tế bào này có thể “ghi lại về những gì đang xảy ra trong tế bào và môi trường tế bào bằng cách viết những thông tin đó lên chính những đoạn mã di truyền của chúng”. Hay nói một cách khác, quay phim về cuộc đời của tế bào đó.

Khi cơ thể có vấn đề, bác sĩ có thể trích xuất vi khuẩn và xem lại các đoạn phim đã ghi. Những vi khuẩn này có thể sẽ đóng vai trò giống các hộp đen giúp người ta ghi lại dữ liệu phòng khi máy bay gặp tai nạn.

Đó chính là lý do tại sao các nhà khoa học lại sử dụng các hình ảnh và một đoạn phim trong thí nghiệm. Họ sử dụng hình ảnh bởi chúng đại diện cho kiểu thông tin phức tạp mà nhóm nghiên cứu muốn sử dung trong tương lại, và sử dụng các đoạn phim bởi chúng có các yếu tố thời gian. Yếu tố thời gian là rất quan trọng bởi nó có thể sẽ rất hữu ích trong việc theo dõi những thay đổi trong một tế bào và môi trường của nó trong một khoảng thời gian nhất định.

Đoạn phim nguyên gốc (trái) và đoạn phim được tái tạo từ thông tin trước đó đã ghi vào DNA.

Từ hơn nửa thế kỷ trước, nhà vật lý học nổi tiếng Richard Feynman đã dự báo rằng DNA có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin giống như trong thí nghiệm trên. Dự báo này được đưa ra từ rất lâu trước khi xảy ra cuộc cách mạng sinh học phân tử, và nhiều thập kỷ trước khi người ta có thể sắp xếp được các chuỗi DNA, chưa nói gì tới việc sửa đổi nó.

Từ năm 1994, Tiến sĩ Adleman thông báo ông đã lưu trữ dữ liệu trong chuỗi DNA và sử dụng nó như một máy tính để giải quyết một vấn đề toán học. Ông quả quyết rằng DNA có thể lưu trữ lượng dữ liệu nhiều gấp một triệu triệu lần so với một chiếc đĩa CD có cùng kích thước.

Và vấn đề lưu trữ dữ liệu cũng đang ngày càng gặp phải nhiều vấn đề lớn. Không chỉ là ngày càng có nhiều dữ liệu được tạo ra, mà các công nghệ được sử dụng để lưu trữ chúng cũng dần trở nên lỗi thời, thí dụ như các loại đĩa mềm.

Còn DNA thì không bao giờ lỗi thời. Tiến sĩ Adleman nói: "Các cơ quan đã lưu trữ thông tin trong các chuỗi DNA từ hàng tỷ năm, và đến giờ vẫn có thể đọc được". Ông lưu ý rằng các vi khuẩn hiện đại có thể đọc được các gene khôi phục từ các xác côn trùng bị kẹt trong hổ phách từ hàng triệu năm trước.

Với nhóm các nhà khoa học của trường ĐH Havard, thách thức hiện nay đối với họ chính là bộ não. Các nhà khoa học dự kiến sẽ sử dụng các vi khuẩn như các thiết bị ghi hình, được đưa lên não qua máu và ghi lại các dữ liệu trong một khoảng thời gian. Sau đó, các nhà khoa học sẽ trích xuất các vi khuẩn và phân tích các chuỗi DNA của nó để xem nó đã ghi được những hoạt động gì của nơ-ron thần kinh.

Tiến sĩ Church cho rằng mặc dù ý tưởng này nghe có vẻ viễn tưởng, nhưng ngành công nghệ sinh học đã có những bước tiến nhanh hơn nhiều so với dự báo. Ông đưa ra một thí dụ về việc sắp xếp gene người. Những nỗ lực đầu tiên đã phải mất hàng năm trời và tiêu tốn một khoản chi phí khoảng 3 tỷ USD. Những dự báo lạc quan nhất cũng chỉ dám cho rằng có thể trong khoảng sáu thập kỷ nữa, giá thành của mỗi lần sắp xếp gene sẽ hạ xuống còn 1.000 USD. "Nhưng hóa ra điều đó đã diễn ra chỉ trong vòng sáu năm thay vì sáu mươi năm", tiến sĩ Church nói.

N.Đ
Theo: BBC, NY Times

Chia sẻ