Chia sẻ kiến thức

Robot nano sinh học sẽ giúp chúng ta kết thúc cơn khủng hoảng kháng kháng sinh

Robot nano sinh học chúng được lắp ráp từ DNA tổng hợp và protein, nên có thể giết chết vi khuẩn kháng thuốc. Cùng tìm hiểu bài viết sau nhé.
26

Robot nano sinh học được lắp ráp từ DNA tổng hợp và protein, nên có thể giết chết vi khuẩn kháng thuốc…

Nhân loại đang đối mặt với kháng kháng sinh

Kháng kháng sinh là một vấn đề nghiêm trọng đối với nhân loại. Trước những năm 1970, nhiễm trùng do vi khuẩn từng được điều trị dễ dàng với một liều kháng sinh duy nhất. Tuy nhiên đến bây giờ, nhiều loại vi khuẩn đã kháng lại được tất cả các loại thuốc điều trị hiện có.

Các bác sĩ bị bỏ lại cùng bệnh nhân, mà trong tay họ có rất ít lựa chọn điều trị thay thế kháng sinh. Thông thường, nhiễm trùng đa kháng thuốc sẽ khiến bác sĩ bó tay. Cái chết của bệnh nhân là điều khó tránh khỏi.

Theo dự đoán của các nghiên cứu quy mô lớn, nếu không có những phương pháp mới để chống lại vi khuẩn kháng thuốc, nhiễm trùng có thể giết chết khoảng 10 triệu người vào năm 2050. Tháng 9 năm 2016, Liên Hợp Quốc chính thức công nhận kháng kháng sinh là một vấn đề toàn cầu.

Liên Hợp Quốc gọi kháng kháng sinh là một mối đe dọa toàn cầu

Tổng thư ký Liên Hợp Quốc, ông Ban Ki-moon gọi kháng kháng sinh là “mối đe dọa cơ bản và lâu dài đối với sức khỏe con người“. Đáp lại điều đó, các chính phủ đã tăng cường tài trợ cho các biện pháp chống lại kháng kháng sinh, bao gồm thử nghiệm các loại thuốc mới và nghiên cứu về vi sinh vật.

Ngay sau cuộc họp tháng 9 năm ngoái của Liên Hợp Quốc, Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Bệnh tật Hoa Kỳ (CDC) tuyên bố rằng họ đã tài trợ hơn 14 triệu USD cho các phương pháp tiếp cận mới để chống lại vi khuẩn kháng kháng sinh.

Trong đó, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu xem xét sinh học tổng hợp như là một cách tiếp cận mới để chống lại các vi khuẩn. Bằng cách tự tổng hợp lên các vi khuẩn của riêng mình, các nhà nghiên cứu có thể cung cấp giải pháp nhắm mục tiêu cho các vi khuẩn chết người, thứ mà kháng sinh truyền thống ngày càng không làm được.

Eligo Bioscience, một công ty khởi nghiệp tại Pháp đang tạo ra các “robot nano sinh học” để chống lại vi khuẩn kháng kháng sinh. Các robot nano được lắp ráp từ DNA tổng hợp và protein, cho phép chúng nhắm mục tiêu chính xác tới vi khuẩn kháng thuốc.

Sinh học tổng hợp nhờ robot nano

Trên cơ thể con người có cả vi khuẩn tốt và vi khuẩn xấu. Vì vậy, từng loại kháng sinh chỉ nên được thiết kế để chống lại các loại vi khuẩn đang gây ra vấn đề. Đáng tiếc rằng hầu hết kháng sinh truyền thống của chúng ta đều quét sạch tất cả vi khuẩn – kể cả các vi khuẩn tốt đang bảo vệ chúng ta.

Các vi khuẩn tốt giúp ức chế sự phát triển của vi khuẩn xấu. Đơn giản là vì nếu vi khuẩn tốt phát triển và tranh giành lãnh địa cũng như chất dinh dưỡng, quần thể vi khuẩn xấu sẽ bị giữ trong tầm kiểm soát và không thể lớn mạnh.

Điều ngược lại xảy ra trong kịch bản các vi khuẩn tốt bị quét sạch bởi kháng sinh, trong khi một vài vi khuẩn xấu kháng lại được thuốc điều trị. Khi đó, vi khuẩn xấu sẽ phát triển mạnh trở lại và không còn gì kiểm soát chúng.

Nhiễm khuẩn đường ruột do Clostridium difficile hoặc các vết loét do vi khuẩn Helicobacter pylori phát triển quá mức chính là những vấn đề sức khỏe gây ra bởi nguyên nhân này, khi lợi khuẩn bị tiêu diệt.

Đa phần các loại kháng sinh hiện nay sẽ giết chết cả vi khuẩn xấu và vi khuẩn tốt

Khắc phục nhược điểm của kháng sinh truyền thống, Eligo mang tới một cách tiếp cận mới. Họ tìm cách để thuốc chỉ tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh, nhắm mục tiêu vào các DNA của chúng với độ chính xác của lính bắn tỉa thay vì một cuộc ném bom kháng sinh truyền thống.

Xavier Duportet, Giám đốc điều hành của Eligo cho biết bệnh nhân sẽ ăn robot nano vào đường tiêu hóa. Các robot sẽ không hoạt động cho đến khi chúng tiến tới đường ruột. Ở đây, robot nano sẽ sử dụng enzyme sinh ra từ gen chỉnh sửa với CRISPR để quét DNA của vi khuẩn.

Một khi robot nano tìm thấy vi khuẩn gây bệnh, nó sẽ tiêu diệt chúng bằng cách cắt gen mục tiêu khiến vi khuẩn khó có thể sửa chữa, nhưng tất cả các vi khuẩn tốt không mang gen mục tiêu sẽ đều không bị ảnh hưởng. Các robot nano sau đó trở thành một phần lành mạnh của hệ vi sinh vật, giúp ngăn chặn các cuộc tấn công trong tương lai từ các vi khuẩn mục tiêu.

Nếu các robot nano của Eligo có thể nhắm mục tiêu vào một số vi khuẩn có hại, công ty này có thể tránh được bẫy tài chính mà rất nhiều công ty dược phẩm đang rơi vào khi cố gắng phát triển các loại kháng sinh mới, vẫn tiêu diệt một phổ rộng vi khuẩn như kháng sinh truyền thống.

Hiện nay, sẽ rất rất khó để kiếm tiền từ chất kháng sinh vì nguyên tắc yêu cầu chúng ta phải có loại kháng sinh chính xác hơn mà sẽ không tiêu diệt hàng loạt vi khuẩn“, Duportet giải thích.

Thậm chí, nếu có thể làm được điều đó, loại thuốc mới của bạn sẽ không được sử dụng như là một loại thuốc kháng sinh phổ thông. Nó chỉ được dùng phòng cho các trường hợp cuối cùng, khi các loại kháng sinh khác đã mất tác dụng. Đó là thị trường cực kỳ nhỏ và không ai sẵn sàng trả tiền để lao vào đó“.

Thuốc Eligo, mặt khác, có thể trở thành loại thuốc được ưu tiên dùng đầu tiên. Thậm chí, nó có thể được sử dụng trước cả khi bệnh nhân phát bệnh để phòng ngừa. Duportet cho biết: “Nó có thể được sử dụng như một loại thuốc dự phòng, loại bỏ tất cả các vi khuẩn kháng kháng sinh từ một người trước cả khi họ bị bệnh“.

Ngoài ra, các robot nano cũng có thể được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác, chẳng hạn như ở bệnh viện. Các bác sĩ phẫu thuật thường khá thận trọng với các bệnh nhân mang vi khuẩn kháng kháng sinh. Mặc dù các vi khuẩn này chưa gây bệnh, nhưng sự xuất hiện của chúng để lại một nguy cơ nhiễm trùng hậu phẫu. Robot nano của Eligo có khả năng tiêu diệt những vi khuẩn này, làm giảm nguy cơ cho bệnh nhân khi phẫu thuật.

Robot nano Eligo có khả năng tiêu diệt những vi khuẩn kháng kháng sinh

Timothy Lu là một giáo sư về kỹ thuật sinh học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Ông là người rất ấn tượng với những gì mà Eligo làm được cho đến nay. Cả trong môi trường phòng thí nghiệm và trong sinh vật sống, công nghệ của Eligo đã cho thấy nó có thể diệt vi khuẩn như những gì công ty tuyên bố, giáo sư Timothy Lu cho biết.

Tuy nhiên, ông cũng thừa nhận rằng Eligo sẽ phải đối mặt với những thách thức trong việc đưa công nghệ của mình ra thực tế, đến với những phòng khám. Thách thức lớn nhất giáo sư Lu nêu ra là “tối ưu hóa việc cung cấp phương pháp điều trị ở người.”

Đó là, làm thế nào Eligo có thể đảm bảo các robot nano của họ được đưa vào đường ruột và thực hiện công việc của chúng ở đó? Công ty vẫn chưa giải quyết được vấn đề đó. Để làm như vậy, Eligo ít nhất sẽ phải mất vài năm nghiên cứu nữa.

Tương lai của robot nano

Vào tháng 9 vừa rồi, công ty đã được đầu tư 20 triệu USD cho giai đoạn nghiên cứu tiếp theo. Các nhà nghiên cứu rất vui mừng khi họ biết rằng mình sẽ tiếp tục tiến về phía trước, Duportet nói.

Chúng tôi tin tưởng bởi vì chúng tôi có dữ liệu thực sự tốt từ những thử nghiệm trên động vật”, anh cho biết thêm. Nếu nhiều thử nghiệm trên động vật tiến triển tốt, bước tiếp theo sẽ là thử nghiệm những robot trên con người, điều mà công ty hy vọng sẽ làm được vào năm 2020.

Đội ngũ các nhà nghiên cứu và nhân viên tại Eligo.

Tuy nhiên, con đường tiến đến một sự chấp thuận cho liệu pháp này có thể sẽ khá dài; Duportet không thể đưa ra lời tiên đoán, khi nào thì robot nano của Eligo mới được sử dụng rộng rãi.

Nhưng cho rằng rằng sự phát triển của sinh học tổng hợp có thể giúp công việc tại Eligo tiến triển mạnh mẽ. “Sinh học tổng hợp thực sự đang trở thành một ngành công nghiệp lớn. Có thể còn một thời gian dài nữa, trước khi chúng ta có thể được chứng kiến liệu pháp của Eligo trong các bệnh viện địa phương. Tuy nhiên, sinh học tổng hợp đã cho chúng ta một lời hứa để đối mặt với vi khuẩn kháng kháng sinh.

Tham khảo Futurism

Xem thêm: Hình ảnh ghi lại cảnh vi khuẩn ăn DNA để có thể tiến hóa thành chủng kháng kháng sinh

Chia sẻ kiến thức

Hình ảnh ghi lại cảnh vi khuẩn ăn DNA để có thể tiến hóa thành chủng kháng kháng sinh

Một bằng chứng rõ ràng cho giả thuyết chuyển gen ngang.Dưới kính hiển vi, hai đốm sáng màu xanh lá này là loại mầm bệnh gây ra dịch tả
27

Một bằng chứng rõ ràng cho giả thuyết chuyển gen ngang

Dưới kính hiển vi, hai đốm sáng màu xanh lá này là những con vi khuẩn Vibrio cholerae – loại mầm bệnh gây ra dịch tả. Theo dõi chúng, các nhà khoa học đã chộp được một khoảnh khắc độc nhất vô nhị từ trước đến nay

Một trong hai con Vibrio cholerae vươn thứ gì đó giống như một cái vòi ra bên ngoài, nó bắt một mảnh DNA (màu đỏ) rồi kéo vào cơ thể.

Thực ra, cái vòi của vi khuẩn được các nhà khoa học gọi là pili. Nhờ hoạt động “săn bắt” của nó, vi khuẩn có thể nhặt các mảnh DNA trôi nổi từ xác của một vi khuẩn khác để kết hợp vào DNA của chính nó. Pili là công cụ để vi khuẩn đẩy nhanh quá trình tiến hóa, trong một quá trình được gọi là chuyển gen ngang.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học mới chỉ coi chuyển gen ngang là một giả thuyết. Nghĩa là họ chỉ mới tưởng tượng ra quá trình này. Đây là lần đầu tiên một video ghi lại được quá trình chuyển gen ngang trong thực tế. Đó là một bằng chứng để xác nhận giả thuyết.

Theo nhà sinh vật học Ankur Dalia đến từ Đại học Indiana Bloomington, chuyển gen ngang là một trong những cách chính giúp vi khuẩn học được khả năng kháng kháng sinh. Tuy nhiên từ trước đến nay, quá trình này chưa bao giờ được quan sát thấy trực tiếp, bởi vi khuẩn và các cấu trúc của nó cực kỳ nhỏ.

Bây giờ, bằng việc quay lại được quá trình chuyển gen ngang, chúng ta sẽ hiểu được cách vi khuẩn chia sẻ DNA với nhau. Một khi càng hiểu quy trình này, các nhà khoa học càng có cơ hội tốt để ngăn chặn nó xảy ra, làm giảm khả năng kháng kháng sinh của vi khuẩn.

Nhà khoa học quay lại được quá trình chuyển gen ngang của vi khuẩn

Vậy làm sao mà họ có thể quay được những thước phim này của vi khuẩn? Những cái vòi pili của chúng mỏng hơn 10.000 lần so với sợi tóc người.

Hóa ra, họ đã nhuộm những con vi khuẩn bằng một loại thuốc phát sáng huỳnh quang. Nhờ vậy, những con vi khuẩn và cái vòi pili của nó sẽ phát ra ánh sáng xanh dưới kính hiển vi, trong khi những mảnh DNA mà chúng ta thấy sẽ có màu đỏ.
Hình ảnh trên, bạn có thể thấy phía bên tay trái là những con vi khuẩn không được nhuộm. Hình ảnh về chúng không tiết lộ bất kể một hoạt động nào trong quá trình chuyển gen ngang. Nhưng khi được nhuộm, quá trình này đã lần đầu tiên được các nhà khoa học quan sát bằng mắt thường, dưới sự trợ giúp của kính hiển vi.

Vòi pili vươn ra từ bên trong vi khuẩn, xuyên qua các lỗ nhỏ trên màng tế bào. Pili kéo một mảnh DNA vào trong tế bào với độ chính xác rất cao. “Nó giống như một cây kim”, nhà sinh vật học Courtney Ellison nói.

“Kích thước của lỗ trên màng ngoài gần như bằng chính chiều rộng của một DNA xoắn uốn cong làm đôi, có khả năng là những gì đang đi qua [màng tế bào vào bên trong]. Nếu không có một pili hướng đường cho nó, cơ hội DNA chạm được vào lỗ hổng ở góc phải để đi vào tế bào về cơ bản là bằng không”.

Như chúng ta đã biết, khả năng kháng kháng sinh có thể được truyền từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác theo nhiều cách khác nhau. Một trong số đó là cơ chế chuyển gen ngang qua việc hấp thụ các DNA trôi nổi trong môi trường.

Khi vi khuẩn chết, chúng vỡ tan ra và giải phóng các mảnh DNA của mình. Các mảnh DNA trôi nổi này sẽ trở thành mục tiêu săn tìm của các vi khuẩn sống khác. Nếu vi khuẩn chết có gen kháng kháng sinh, vi khuẩn sống bắt được DNA của nó cũng phát triển tính kháng kháng sinh đó – và lây lan sang vi khuẩn con cháu mà chúng sinh ra sau này.

Bằng cơ chế chuyển gen ngang, kháng kháng sinh có thể lây truyền nhanh trong cộng đồng. Và đó là một vấn đề đáng lo ngại. Theo Trung tâm kiểm soát và phòng ngừa bệnh tật Hoa Kỳ (CDC), chỉ riêng ở Mỹ mỗi năm đã có ít nhất 23.000 ca tử vong vì kháng kháng sinh.

Bằng cách tìm ra chính xác cơ chế vi khuẩn sử dụng để lây lan khả năng kháng kháng sinh, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ sớm tìm ra cách ngăn chặn nó.

Bước tiếp theo, họ sẽ tìm hiểu tại sao pili có thể bám vào DNA ở đúng vị trí nó mong muốn – đặc biệt là khi protein liên quan đến quá trình này dường như tương tác với DNA theo cách rất lạ, mà chưa nhà khoa học nào từng thấy trước đây.

Thuốc nhuộm huỳnh quang và kỹ thuật quay video hiển vi cũng sẽ được áp dụng để quan sát các chức năng khác của pili. “Đây là những bộ phân phụ thực sự linh hoạt [của vi khuẩn]”, Dalia nói. “Phương pháp [nhuộm huỳnh quang] được phát minh tại Đại học Indiana thực sự đã mở mang sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về một loạt các chức năng của vi khuẩn”.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Microbiology.

Tham khảo: Sciencealert

Chia sẻ kiến thức

Bắt gọn siêu vi khuẩn kháng kháng sinh trong máu bằng robot nano vàng

Những con robot có khả năng quét sạch độc tố có hại và cả những siêu vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm như tụ cầu vàng kháng kháng sinh
22

Chỉ sau 5 phút, 2/3 số tụ cầu vàng kháng methicillin (MRSA) đã bị bắt lại.

Giống như một công nghệ bước ra từ phim ảnh, các nhà khoa học đã chế tạo được những con robot nhỏ xíu có kích thước chỉ bằng 1/25 lần đường kính sợi tóc. Họ có ý định sẽ thả những con robot này vào mạch máu, giúp chúng ta dọn dẹp cơ thể từ bên trong.

Theo báo cáo nghiên cứu trên tạp chí Science Robotics, những con robot có khả năng quét sạch độc tố có hại và cả những siêu vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm như tụ cầu vàng kháng kháng sinh (MRSA). Một phần những ứng dụng tuyệt vời này đến từ vật liệu được dùng để chế tạo chúng: Vàng.

Bắt gọn siêu vi khuẩn kháng kháng sinh
Bắt gọn siêu vi khuẩn kháng kháng sinh trong máu bằng robot nano vàng

Nghiên cứu robot siêu nhỏ được thực hiện bởi Giáo sư Liangfang Zhang và các cộng sự của ông tại Đại học California San Diego. Họ đã cắt các sợi nano vàng cực nhỏ, rồi sử dụng một quy trình hóa học để phủ lên bên ngoài chúng một lớp màng lai kết hợp của tiểu cầu và hồng cầu.

Sau đó, các con robot dạng hình sợi này được tiêm vào máu và cung cấp năng lượng để di chuyển bằng siêu âm. Với kích thước chỉ bằng 1/25 lần đường kính sợi tóc, robot có thể di chuyển trong máu với tốc độ 35 micromet/giây.

Nếu tính theo tương quan kích thước, tốc độ di chuyển này bằng với một chiếc ô tô 5 chỗ đang chạy ở vận tốc gần 290km/h.

Suốt quá trình di chuyển trong máu, robot có khả năng bắt các mầm bệnh bằng protein trên bề mặt màng tiểu cầu. Trong khi đó, màng tế bào hồng cầu có thể trung hòa độc tố do vi khuẩn tạo ra.

Trong một thử nghiệm với mẫu máu nhiễm siêu vi khuẩn kháng kháng sinh, các nhà nghiên cứu cho biết robot của mình đã bắt được 2/3 lượng tụ cầu vàng kháng methicillin (MRSA) chỉ sau 5 phút. Với kết quả khả quan này, họ dự định thử nghiệm robot của mình trên động vật trong tương lai gần.

Giáo sư Wang nói với New Atlas rằng các robot tí hon của mình có thể được sử dụng để điều trị một loạt các bệnh liên quan đến vi khuẩn:

Bằng cách tích hợp các lớp phủ tế bào tự nhiên bên ngoài những cỗ máy nano tổng hợp, chúng tôi có thể tạo ra những chức năng mới cho robot tí hon, ví dụ như loại bỏ mầm bệnh và độc tố ra khỏi cơ thể cũng như các môi trường phức tạp khác”.

Hình ảnh từ kính hiển vi cho thấy robot nano đã bắt được một siêu vi khuẩn MRSA.

Đây chỉ là một trong nhiều phát triển công nghệ gần đây sử dụng vàng trong lĩnh vực y học. Các hạt nano vàng đang được sử dụng để điều trị ung thư và giúp chẩn đoán các bệnh khác. Vàng thậm chí có thể giúp phục hồi thị lực.

Ngành công nghiệp công nghệ cao ngày càng muốn khai thai tiềm năng của vàng, đi đôi với đó là nhu cầu sử dụng vàng thay vì cất giữ chúng như tài sản. Mức cầu vàng trong lĩnh vực công nghệ đã đạt mốc tăng thứ 6 liên tiếp trong quý 1 năm 2018.

Nhìn chung, nhu cầu vàng sử dụng trong công nghệ và công nghiệp đã tăng 4%, đạt mức 82 tấn so với cùng kỳ năm ngoái.

Việc sử dụng vàng trong lĩnh vực y học chỉ chiếm một phần nhỏ nhu cầu đó. Vàng cần thiết cho sản xuất máy tính và các thiết bị điện tử khác tạo ra nhu cầu công nghiệp lớn nhất, tăng trưởng 5% so với cùng kỳ năm ngoái đạt 65,3 tấn trong quý 1 năm 2018.

Chúng ta thường nghĩ vàng chỉ là một phương tiện đầu tư như tiền bạc, nhưng thực tế, kim loại này ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghệ và công nghiệp. Nhu cầu vàng trong lĩnh vực công nghệ đã tăng liên tiếp kể từ năm 2016 và được dự đoán là sẽ chưa dừng lại vì những công nghệ mới như những con robot nano này.

Tham khảo Upi, Schiffgold

Xem thêm:

Robot nano sinh học sẽ giúp chúng ta thoát cơn khủng hoảng kháng kháng sinh