Cấu trúc nano mở đường cho robot tiên tiến

Các nanorobot do TS. Lưu Trí Minh (Đại học Sydney, Úc) và cộng sự phát triển có thể được sử dụng để phân phối các loại thuốc điều trị ung thư nhắm mục tiêu, tạo ra các vật liệu tương lai có khả năng phản ứng với môi trường và ứng dụng trong quá trình xử lý tín hiệu tiết kiệm năng lượng.

TS. Lưu Trí Minh đang căn chỉnh và lấy nét hình ảnh trên kính hiển vi điện tử truyền qua Sydney Microscopy and Microanalysis để quan sát cấu trúc nano DNA origami.

Trong tế bào, protein có khả năng tự lắp ráp nhanh chóng thành các “máy nano” tinh vi. Và trong thực tế, các máy nano là các thiết bị hoặc cấu trúc siêu nhỏ, hoạt động ở cấp độ nanomet (1 nanomet = 1 phần tỷ mét). Các máy nano này được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể, và thường được mô phỏng hoặc lấy cảm hứng từ các cơ chế hoạt động trong tự nhiên, như protein, hoặc tế bào. Cho đến nay, các phương pháp tự lắp ráp lấy cảm hứng từ sinh học, như kỹ thuật DNA origami, đã được áp dụng để tạo ra các cấu trúc nano và thiết bị ba chiều (3D) phức tạp. “Tuy nhiên, các hệ thống tổng hợp hiện nay vẫn còn hạn chế do việc lắp ráp theo từng cấp độ có hiệu suất còn thấp và việc tái cấu trúc nhanh chóng và hiệu quả giữa các dạng cấu trúc khác nhau cũng còn gặp nhiều khó khăn”, TS. Lưu Trí Minh và các cộng sự chia sẻ trong công bố mới.

Để khắc phục những hạn chế này, anh và nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc tạo ra các “voxel” DNA origami dạng mô-đun có thể được lắp ráp thành các cấu trúc ba chiều phức tạp. Trong đó, khái niệm voxel là viết tắt của cụm từ “volume element” - phần tử thể tích. Tương tự như pixel trong không gian hai chiều, voxel được sử dụng để đại diện cho các dữ liệu trong không gian 3D. “Chúng tôi trình bày các nhóm đa chức năng lên đến 12 voxel độc đáo có thể lắp ráp thành nhiều hình dạng, với 50 cấu trúc”, nhóm nghiên cứu chia sẻ. Kết quả nghiên cứu mới đây được công bố trong bài báo “Reconfigurable nanomaterials folded from multicomponent chains of DNA origami voxels” trên tạp chí khoa học robot nổi tiếng Science Robotics.

Tạo ra robot nano

DNA origami là một kỹ thuật trong công nghệ nano DNA dùng để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp thông qua việc “gấp” sợi DNA thành các hình dạng mong muốn, tương tự như nghệ thuật gấp giấy origami trong văn hóa Nhật Bản. Kỹ thuật này được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2006 bởi nhà khoa học Paul Rothemund.
 

Và mới đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Nano thuộc Đại học Sydney đã có bước tiến đáng kể trong lĩnh vực robot phân tử với việc phát triển các cấu trúc nano có thể lập trình và thiết kế riêng bằng cách sử dụng DNA origami. “Chúng tôi đã tạo ra một loại vật liệu nano mới có đặc tính có thể điều chỉnh, cho phép ứng dụng đa dạng - từ vật liệu thích ứng thay đổi đặc tính quang học để phản ứng với môi trường cho đến nanorobot tự động có khả năng tìm kiếm và tiêu diệt tế bào ung thư”, TS. Lưu Trí Minh chia sẻ với Đại học Sydney.

Phương pháp tiếp cận sáng tạo này có tiềm năng trong nhiều ứng dụng, từ hệ thống phân phối thuốc có mục tiêu đến vật liệu phản ứng và xử lý tín hiệu quang tiết kiệm năng lượng. Nhóm của TS. Lưu Trí Minh đã sử dụng DNA origami - kỹ thuật sử dụng sức mạnh “gấp” tự nhiên của DNA - các khối xây dựng sự sống con người, để tạo ra các cấu trúc sinh học mới và hữu ích.

Để chứng minh khái niệm, anh và nhóm nghiên cứu đã tạo ra hơn 50 vật thể có kích thước nano, bao gồm một ‘khủng long nano’, một ‘robot nhảy múa’ và một tiểu Úc rộng 150 nanomet (hẹp hơn sợi tóc người một nghìn lần). Các cấu trúc nano có thể lập trình này có tiềm năng để được thiết kế riêng cho các chức năng cụ thể, cho phép tạo mẫu nhanh các cấu hình đa dạng. Điểm đáng chú ý trong nghiên cứu này là tính linh hoạt của công nghệ mới. Đây là một yếu tố rất quan trọng để phát triển các hệ thống robot nano có thể thực hiện các nhiệm vụ trong sinh học tổng hợp, y học nano và khoa học vật liệu.

“Kết quả này giống như việc chúng ta sử dụng đồ chơi kỹ thuật dành cho trẻ em, hoặc trò chơi đan dây. Nhưng thay vì dùng kim loại hoặc dây, chúng tôi sử dụng sinh học nano để chế tạo ra các robot với tiềm năng lớn”, nhóm nghiên cứu cho biết.

“Băng dính dán đa năng” ADN

Để lắp ráp các voxel, nhóm nghiên cứu kết hợp các sợi DNA bổ sung vào bên ngoài các cấu trúc nano, trong đó các sợi mới đóng vai trò là các vị trí liên kết có thể lập trình được. “Những vị trí này hoạt động giống như miếng dán đa năng có nhiều màu sắc khác nhau, được thiết kế sao cho chỉ những sợi có ‘màu sắc’ phù hợp (thực tế là trình tự DNA bổ sung) mới có thể kết nối”, TS. Lưu Trí Minh cho biết.

Phương pháp tiếp cận sáng tạo này cho phép kiểm soát chính xác cách các voxel liên kết với nhau, nhờ đó tạo ra các kiến ​​trúc chi tiết và có thể tùy chỉnh. Và một trong những ứng dụng thú vị nhất của công nghệ này là tiềm năng tạo ra các hộp robot nano có khả năng đưa thuốc trực tiếp đến các vùng mục tiêu trong cơ thể. Bằng cách sử dụng DNA origami, các nhà nghiên cứu có thể thiết kế các robot nano này để phản ứng với các tín hiệu sinh học cụ thể, đảm bảo thuốc chỉ được giải phóng khi cần thiết và ở nơi cần thiết. Nhờ đó, phương pháp tiếp cận nhắm mục tiêu cụ thể và có thể tăng cường hiệu quả cho các phương pháp điều trị ung thư, đồng thời giảm thiểu tác dụng phụ.

Bên cạnh việc cung cấp thuốc, các nhà nghiên cứu còn tiếp tục khám phá sự phát triển của các vật liệu mới có thể thay đổi các đặc tính để đáp ứng với các kích thích của môi trường. Chẳng hạn, các vật liệu mà nhóm đang phát triển có thể được thiết kế để phản ứng với tải trọng cao hơn hoặc thay đổi các đặc điểm cấu trúc dựa trên các thay đổi về nhiệt độ hoặc mức độ axit (pH). Các vật liệu phản ứng mới như vậy cũng có tiềm năng thay đổi các ngành công nghiệp y tế, máy tính và điện tử. “Nghiên cứu này cho phép chúng ta hình dung ra một thế giới mà các nanorobot có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, từ điều trị cơ thể con người đến chế tạo các thiết bị điện tử tương lai”, nhóm nghiên cứu nhận định.

TS. Lưu Trí Minh và các đồng nghiệp cũng đang nghiên cứu các phương pháp tiết kiệm năng lượng để xử lý tín hiệu quang, có thể mang đến các công nghệ xác minh hình ảnh hiệu quả hơn. Bằng cách khai thác các đặc tính độc đáo của DNA origami, các hệ thống này có thể cải thiện tốc độ và độ chính xác của quá trình xử lý tín hiệu quang, mở đường cho các kỹ thuật nâng cao trong chẩn đoán y tế hoặc an ninh.

“Công trình của chúng tôi chứng minh tiềm năng đáng kinh ngạc của DNA origami trong việc tạo ra các cấu trúc nano đa năng và có thể lập trình. Khả năng thiết kế và lắp ráp các thành phần này mở ra những con đường mới cho việc đổi mới công nghệ nano”, TS. Lưu Trí Minh mường tượng.

Nhìn về tương lai, nhóm nghiên cứu kỳ vọng, kết quả này sẽ không chỉ làm nổi bật khả năng của các cấu trúc nano DNA mà còn khắc họa rõ tầm quan trọng của sự hợp tác liên ngành trong việc thúc đẩy khoa học. Điều mà nhóm nghiên cứu cảm thấy hào hứng nhất là chờ đợi xem những phát hiện của họ có thể được áp dụng như thế nào trong những bài toán thực tế ở nhiều lĩnh vực như y tế, khoa học vật liệu và năng lượng.

Và khi các nhà nghiên cứu tiếp tục cải tiến các công nghệ này, tiềm năng tạo ra các máy nano thích ứng có thể hoạt động trong môi trường phức tạp - chẳng hạn như bên trong cơ thể con người - cũng ngày càng trở nên khả thi hơn.

Bài đăng KH&PT số 1324+1325 (số 52/2024+1/2025)

Khoahocphattrien