Robot ADN hứa hẹn một tương lai với những cỗ máy siêu nhỏ có khả năng ứng dụng trong y học, sản xuất và tính toán ở quy mô chưa từng có. Ảnh: Shutterstock

DNA được biết đến là phân tử mang thông tin di truyền, nhưng các nhà khoa học cũng đang biến nó thành vật liệu xây dựng cho những robot siêu nhỏ. Những cỗ máy thử nghiệm này được thiết kế để hoạt động ở cấp độ phân tử, với mục tiêu dài hạn là di chuyển trong mạch máu, nhắm mục tiêu vào các tế bào bệnh như tế bào ung thư và vận chuyển thuốc với độ chính xác cao. Các nhà nghiên cứu cũng tin rằng robot DNA có thể giúp xây dựng các hệ thống lưu trữ dữ liệu và thiết bị điện toán cực nhỏ.

Lời hứa đó thật hấp dẫn, nhưng công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Hầu hết các robot DNA vẫn chỉ là hệ thống chứng minh khái niệm chứ chưa phải là công cụ thực tiễn. Tuy nhiên, lĩnh vực này đang tiến bộ khi các nhà khoa học học cách thiết kế cấu trúc DNA có thể uốn cong, gấp lại và di chuyển theo cách có kiểm soát.

Một bài đánh giá mới xem xét cách các nhà nghiên cứu đang chế tạo những cỗ máy này bằng cách sử dụng một số chiến lược thiết kế. Một số robot DNA dựa vào các khớp cứng để ổn định, trong khi những robot khác sử dụng các thành phần linh hoạt hoặc cấu trúc gấp lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy origami. Bằng cách điều chỉnh các ý tưởng quen thuộc từ robot quy mô lớn sang quy mô nano, các nhà khoa học đang bắt đầu tạo ra các thiết bị phân tử có thể thực hiện các nhiệm vụ cụ thể một cách đáng tin cậy hơn.

Làm thế nào để điều khiển robot DNA?

Việc chế tạo các thiết bị này chỉ là một thách thức. Chúng cần có cách thức để di chuyển và phản hồi một cách đáng tin cậy trong thế giới vi mô bị chi phối bởi các va chạm phân tử liên tục. Để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển các phương pháp điều khiển sử dụng cả hóa học và vật lý. Bài tổng quan này nêu bật các kỹ thuật sinh hóa như dịch chuyển chuỗi DNA, cùng với các tác nhân kích hoạt bên ngoài bao gồm điện trường, từ trường và ánh sáng.

Sự dịch chuyển chuỗi DNA cung cấp cho các nhà khoa học một cách để lập trình hoạt động vào chính cỗ máy. Bằng cách thiết kế các chuỗi DNA "nhiên liệu" và "cấu trúc" tương tác theo trình tự chính xác, các nhà nghiên cứu có thể kích hoạt các chuyển động hoặc thay đổi hình dạng với độ chính xác đáng kinh ngạc. Về cơ bản, robot có thể được lập trình để tuân theo các chỉ dẫn phân tử.

Tiềm năng ứng dụng vào thực tế

Tiềm năng y học là một trong những điểm thu hút lớn nhất của lĩnh vực này. Robot DNA một ngày nào đó có thể hoạt động như những "bác sĩ phẫu thuật nano", tìm kiếm các tế bào cụ thể trong cơ thể và đưa thuốc điều trị trực tiếp đến chúng. Về lý thuyết, độ chính xác này có thể giúp các liệu pháp hiệu quả hơn đồng thời giảm thiểu tổn hại đến các mô khỏe mạnh. Các nhà nghiên cứu cũng đã khám phá các thiết bị DNA có thể bắt giữ virus như SARS-CoV-2, gợi ý về các hệ thống trong tương lai có thể kết hợp phát hiện và điều trị trên cùng một nền tảng.

Công nghệ này cũng có thể tạo ra tác động lớn ngoài lĩnh vực y học. Trong sản xuất nguyên tử, robot DNA có thể đóng vai trò như các khuôn mẫu lập trình để định vị các hạt nano với độ chính xác dưới nanomet (ít hơn một phần tỷ mét). Điều đó có thể giúp các nhà khoa học tạo ra máy tính phân tử và thiết bị quang học với khả năng vượt xa những gì các phương pháp sản xuất hiện tại dễ dàng đạt được.

Những thách thức phía trước

Mặc dù đã có những tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều trở ngại lớn. Chuyển động Brownian khiến việc điều khiển chính xác trở nên khó khăn, và nhiều robot DNA hiện nay vẫn là những hệ thống tĩnh, biệt lập với chức năng hạn chế. Lĩnh vực này cũng thiếu cơ sở hạ tầng hỗ trợ mạnh mẽ, bao gồm các cơ sở dữ liệu chi tiết về tính chất cơ học của DNA và các công cụ mô phỏng có thể dự đoán chính xác cách thức hoạt động của những cỗ máy này.

Các nhà nghiên cứu thực hiện bài đánh giá này lập luận rằng việc giải quyết những vấn đề đó sẽ đòi hỏi sự hợp tác giữa nhiều lĩnh vực. Họ chỉ ra các thư viện “linh kiện” DNA tiêu chuẩn hóa, mô phỏng thiết kế hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo và các phương pháp sản xuất sinh học được cải tiến là những bước quan trọng để làm cho robot DNA trở nên có khả năng hơn và có thể mở rộng quy mô.

“Robot của tương lai sẽ không chỉ được làm từ kim loại và nhựa,” nhóm nghiên cứu cho biết. “Chúng sẽ có cấu tạo sinh học, có thể lập trình và thông minh. Chúng sẽ là công cụ giúp chúng ta cuối cùng làm chủ được thế giới phân tử.”