Neurobot và bước tiến mới của sinh học tự tổ chức

Mô hình neurobot sau nhuộm màu cho thấy các tế bào đa lông mao quanh chu vi và các sợi thần kinh ở trung tâm. (Nguồn: Advanced Science)

Nghiên cứu mới công bố trên Tạp chí Advanced Science (Đức) cho thấy, các nhà khoa học đang tiến thêm một bước trong việc tìm hiểu cách sinh học tạo nên những cấu trúc sống có chức năng. Trọng tâm của nghiên cứu là neurobot, loại robot sinh học siêu nhỏ được tạo từ tế bào ếch và có thêm tế bào thần kinh. Chúng được phát triển từ xenobot, phiên bản robot sinh học trước đó chưa có thành phần thần kinh.

Theo đó, năm 2020, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tufts (Mỹ) đã tạo ra xenobot bằng tế bào ếch. Đây là những cấu trúc sống siêu nhỏ có thể di chuyển trong nước, tự sửa chữa, thậm chí tập hợp các tế bào riêng lẻ để tạo thành xenobot mới. Từ nền tảng đó, nhóm nghiên cứu tại Đại học Tufts và Viện Wyss (Mỹ) tiếp tục thử đưa tế bào thần kinh vào cấu trúc này để xem điều gì sẽ xảy ra. Phiên bản mới được gọi là neurobot.

Nhóm nghiên cứu cho biết, đây là một phần trong nỗ lực lớn hơn nhằm tìm hiểu cách các nhóm tế bào có thể tự tổ chức thành những cấu trúc phức tạp trong điều kiện không thuận lợi. Những hiểu biết thu được có thể có ích trong ngành sinh học tổng hợp và y học tái tạo.

Để tạo ra xenobot, các nhà khoa học đã sử dụng tế bào lấy từ phôi sớm của loài ếch móng vuốt châu Phi Xenopus laevis. Khi các tế bào tiền thân của da được tách ra và đặt trong đĩa nuôi cấy, chúng tự tập hợp thành những cấu trúc nhỏ, tròn, phủ lông mao, nhờ đó có thể bơi trong nước. Các cấu trúc này hoàn toàn có nguồn gốc sinh học, không cần khung đỡ hay biến đổi gen, có thể tự chữa lành và tồn tại khoảng 9 đến 10 ngày nhờ nguồn dinh dưỡng dự trữ sẵn trong tế bào phôi ban đầu.

Với neurobot, nhóm nghiên cứu cấy thêm các cụm tế bào tiền thân thần kinh vào trung tâm của biobot khi chúng đang hình thành. Các tế bào này sau đó trưởng thành, phát triển sợi trục và sợi nhánh. Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy neurobot đã hình thành những đặc điểm quan trọng của hệ thần kinh tự nhiên. Các nhà nghiên cứu cũng xác nhận rằng những tế bào này có thể vận hành trong các mạng lưới thần kinh đơn giản.

So với biobot không có tế bào thần kinh, neurobot thường lớn và thon dài hơn, có kiểu di chuyển phức tạp hơn. Khi tiếp xúc với một loại thuốc ảnh hưởng đến hoạt động não, neurobot cũng thay đổi chuyển động theo cách khác với biobot thông thường. Điều đó cho thấy mạng lưới thần kinh mới hình thành không chỉ tồn tại về mặt cấu trúc mà còn trực tiếp tham gia định hình hành vi.

Một phát hiện đáng chú ý khác là hoạt động gene bất ngờ bên trong neurobot, trong đó có cả các gene liên quan đến xử lý thị giác và tế bào nhạy sáng. Từ đây, các nhà khoa học đặt ra khả năng neurobot về sau có thể phản ứng với ánh sáng. Dù còn sơ khai nhưng nghiên cứu lần này đã dần khám phá cách tế bào sống có thể tự tổ chức thành những cấu trúc chức năng, mở ra bước tiến mới trong công nghệ sinh học.