Giả lập tế bào bằng các tranzito

Sử dụng mạch điện tương tự, chứ không phải là kỹ thuật số, các nhà khoa học có thể dễ dàng xây dựng các mô hình giả lập của các hệ thống sinh học một cách hiệu quả và chính xác.

Trong thế giới các mạch điện tương tự, các kỹ sư điện thường nghĩ hầu hết về mặt số lượng như là điện áp là liên tục có nghĩa, là họ có thể nhận dãy giá trị vô tận. Hiện nay, với công nghệ tích hợp vi mạch kỹ thuật số, các kỹ sư suy nghĩ đơn giản hơn, họ có xu hướng suy nghĩ nhiều hơn về 0 và 1, đối lập nhị phân của logic kỹ thuật số.

Kể từ khi hoàn thành Dự án bộ gen con người, hai ngành mới phát triển mạnh là: sinh học tổng hợp và sinh học hệ thống đã nổi lên từ sự quan sát rằng trong một số cách thức, trình tự của các phản ứng hóa học dẫn đến việc sản xuất protein trong tế bào cũng giống như trong mạch điện tử. Nói chung, các nhà nghiên cứu trong cả hai lĩnh vực có xu hướng phân tích phản ứng đối lập nhị phân: Nếu một hóa chất có mặt, có một điều này sẽ xảy ra, nếu hóa chất này là vắng mặt, một điều khác lại xảy ra.

Tuy nhiên, Rahul Sarpeshkar, giáo sư kỹ thuật điện tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu Điện Tử (RLE) của MIT, cho rằng đó là cách tiếp cận sai lầm. "Các tín hiệu trong các tế bào không phải là 0 hay 1", Sarpeshkar nói. "đó là khái niệm trừu tượng đơn giản hóa quá mức là loại đầu tiên, ở mức thô, phép tính xấp xỉ hữu ích cho những gì tế bào làm. Nhưng mọi người biết là sai".

Trong Hội nghị về các hệ thống và các mạch tích hợp y sinh diễn ra ở San Diego Hoa Kỳ, trong tháng11 năm 2011, giáo sư Sarpeshkar: nhà khoa học Lorenzo Turicchia, tiến sĩ Ramiz Daniel và nghiên cứu sinh Sung Sik Woo và tất cả các thành viên của Phòng thí nghiệm nghiên cứu Điện Tử (RLE) của MIT sẽ trình bày một báo cáo: họ sử dụng các mạch điện tử tương tự để xây dựng nên hai loại mô hình khác nhau tương tác giữa các protein và DNA trong tế bào. Các mạch điện tử tương tự sẽ bắt chước hành vi của tế bào với độ chính xác đáng kể nhưng có lẽ quan trọng hơn, các nhà nghiên cứu xây dựng các mô hình sinh học đó chỉ với một vài tranzito ít hơn nhiều so với yêu cầu của mô hình kỹ thuật số đòi hỏi.

Kết quả của nghiên cứu trên đã mở ra hướng đi mới: không chỉ là chế tạo mà còn mô phỏng điện tử các hệ thống sinh học một cách chính xác hơn, hiệu quả hơn. Điều này cũng cho thấy một khuôn khổ mới cho việc phân tích và thiết kế các quá trình sinh hóa chi phối hành vi của tế bào.

Hoạt động của transito giống như là một công tắc điện: Khi bật lên thì transito dẫn điện, khi bật xuống thì transito không dẫn điện. Trong một chip máy tính, hai trạng thái này được đại diện bởi 2 bít: 0 và 1.

Tuy nhiên, trong việc chuyển đổi giữa trạng thái không dẫn điện và các trạng thái dẫn điện, một tranzito sẽ đi qua tất cả các trạng thái như: hơi dẫn điện, dẫn điện vừa phải, khá dẫn điện, giống như một chiếc xe được tăng tốc từ số 0 đến 60, tăng tốc độ một cách tịnh tiến. Bởi vì các transito trong một con chip máy tính được dùng để thực hiện các hoạt động logic nhị phân, chúng được thiết kế để làm cho những giai đoạn chuyển giao không thể phát hiện. Nhưng giáo sư Sarpeshkar và các đồng nghiệp đang cố gắng khai thác các giai đoạn chuyển giao này.

"Chúng ta nói rằng: là một tế bào tuyến tụy thì sẽ sản xuất ra insulin", Sarpeshkar nói. "Vâng, khi lượng đường trong máu tăng lên, tế bào tuyến tụy sẽ cho nhiều insulin hơn. Nhưng nó không cào bằng. Nếu lượng đường trong máu tăng nhiều hơn, tế bào tuyến tụy sẽ tạo ra nhiều insulin hơn. Nếu lượng đường trong máu giảm đi một chút, tế bào tuyến tụy tạo ra lượng insulin ít hơn một chút. Đó là phân loại. Hoạt động này không phải là một cổng logic".

Xử lý như một thiết bị tương tự, một tranzito duy nhất có một phạm vi vô hạn của tính dẫn có thể, vì vậy nó có thể mô hình một phạm vi giới hạn nồng độ hóa học. Tuy nhiên, hoạt động như một công tắc nhị phân, một tranzito chỉ có hai trạng thái có thể, do đó, mô hình hoá một phạm vi lớn nhưng hữu hạn của nồng độ sẽ yêu cầu một ngân hàng toàn bộ các tranzito. Đối với các mạch lớn như trình tự mô hình của các phản ứng bên trong tế bào, logic nhị phân nhanh chóng trở nên quá phức tạp đến nỗi không thể kiểm soát được. Tuy nhiên, các mạch tương tự thì không như vậy. Thật vậy, mạch tương tự khai thác các hiện tượng vật lý, giúp xây dựng các mô hình giả lập của các hệ thống sinh học một cách hiệu quả và chính xác.

"Bạn nghĩ điện tử là gì"? giáo sư Sarpeshkar nói. "Đó là sự chuyển động của điện tử. Hóa học là gì? Hóa học: là các electron di chuyển từ một nguyên tử hay phân tử này sang nguyên tử hay phân tử khác. Hai khái niệm phải được kết nối sâu sắc: Cả hai đều nói về điện tử".

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu Điện Tử (RLE) của MIT, thực hiện các thí nghiệm sinh học, đo lường tác động dần dần làm tăng nồng độ của hai loại protein khác nhau trong tế bào. Cả hai protein tác động tới tế bào bắt đầu sản xuất các protein khác nhưng theo hai hướng khác nhau: hướng thứ nhất: Một trong số các protein mới bị ràng buộc vào chuỗi ADN và đã làm cho tế bào gia tăng sản xuất 1 protein đặc biệt, hướng thứ hai: hạn chế sản xuất protein của tế bào.

Giáo sư Sarpeshkar và các đồng nghiệp đã có thể tạo ra mô hình cho cả hai quá trình bằng cách sử dụng các bảng mạch tương tự chỉ có 8 tranzito mỗi mạch. Hơn nữa, để các bảng mạch tương tự tạo thành hình ảnh phản chiếu của nhau, đại diện cho sự khác biệt giữa: kích hoạt trực tiếp sản xuất protein và tắt một mạch hạn chế sản xuất protein của tế bào. Và cuối cùng, tạo ra các mạch mô hình hóa sự tương tác của các gen và protein với độ chính xác đáng kể.

"Khái niệm bằng cách sử dụng một tranzito duy nhất để thực hiện một phương trình toàn bộ được thực hiện trên một máy tính kỹ thuật số, sẽ phải mất một vài dòng mã, và nếu bạn nhìn vào bên trong hộp, nó sẽ được hàng triệu tranzito - chắc chắn chỉ mới chạy một ứng dụng thôi". theo Gert Cauwenberghs, một giáo sư công nghệ sinh học và sinh học tại Đại học California tại San Diego, Hoa Kỳ. "Biến đổi cực đoan trong các hệ thống sinh học, và thực tế rằng hệ thống vẫn kiên cường chống lại các biến thể, sẽ cho thấy rằng các mạch tương tự, với một số nguyên tắc nhiệt động lực học vật lý như nhau và tiếng ồn nhúng trong chúng, sẽ là một nền tảng thực thi tốt".

Giáo sư Cauwenberghs cảnh báo rằng: tiện ích cho các nhà sinh học, một mô hình tương tự của các mạch di truyền sẽ có được nhiều phức tạp hơn nữa mà các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu Điện Tử (RLE) của MIT đã mô tả trong bài báo mới của họ. Xây dựng một mô hình như vậy, ông nói, sẽ đòi hỏi sự hợp tác làm việc của nhiều nhà sinh học trong việc tạo ra dữ liệu chính xác về nồng độ hoá chất trong tế bào, cũng như đòi hỏi kỹ năng của các kỹ sư điện. Nhưng "chắc chắn có hiệp lực giữa hai lĩnh vực này", Cauwenberghs nói thêm.