Startup Lattice Automation dự định thương mại hóa phiên bản đầu tiên của Lattice - phần mềm CAD (computer-aided design, chương trình thiết kế được máy tính hỗ trợ) vào cuối năm nay. Mặc dù không có nhiều hiểu biết về ngành sinh học, nhưng nhà sáng lập Doug Densmore (Phó giáo sư ngành kỹ thuật máy tính và điện tử ở Đại học Boston) khẳng định ông và đồng nghiệp đang áp dụng những nguyên lý thiết kế tự động hóa trong điện tử vào lĩnh vực di truyền học để lập trình mã gen sinh vật.
Viết mã gen bằng phần mềm máy tính.
Ứng dụng các công nghệ máy học và dữ liệu lớn, phần mềm Lattice hoạt động theo quy trình chỉ định-thiết kế-xây dựng-thử nghiệm hoàn chỉnh bằng những thuật toán mạnh mẽ, có khả năng liệt kê từng thiết kế “đúng theo từng cấu trúc” trong thư viện có sẵn. Cấu trúc cũng có thể được điều chỉnh cho phù hợp với bối cảnh môi trường và yêu cầu ứng dụng cụ thể. Không chỉ cung cấp các loại ngôn ngữ đặc tả được cụ thể hóa giúp người dùng dễ dàng mô tả thiết kế và nắm bắt các quy tắc sinh học, Lattice còn tích hợp sẵn nhiều công cụ để người dùng lưu trữ và chia sẻ các mẫu thiết kế sinh học.
Lattice được phát triển dựa theo định hướng của GP-write (Genome Project-write) - dự án nghiên cứu quốc tế mở về mã gen của các dòng tế bào ở người và các sinh vật khác (có ý nghĩa trong nông nghiệp và sức khỏe cộng đồng). Dự án HGP-read (Human Genome Project), tiền thân của GP-write, đã hoàn thành vào năm 2003, được công nhận là một trong những kỳ công khám phá vĩ đại của nhân loại, khơi nguồn cho cuộc cách mạng toàn cầu trong khoa học và y học, đặc biệt là trong chẩn đoán và điều trị dựa trên bộ gen.
Từ giả thuyết rằng sự tập trung mới vào việc “viết” bộ gen có thể mang lại những cuộc cách mạng tương tự, dự án GP-write kỳ vọng sẽ đạt thành tựu cao hơn cách chỉnh sửa mã gen, có thể thiết kế trình tự DNA để tạo ra các tế bào người hoặc động vật có đặc tính mới. Ví dụ, nếu nhà khoa học muốn thêm một con đường trao đổi chất mới để tạo ra một loại protein nhất định, phần mềm CAD sẽ thực hiện tất cả những thay đổi cần thiết trong bộ gen, rà soát các lỗi mã hóa có khả năng dẫn đến việc rối loạn chức năng của một tế bào và dự đoán chính xác mức độ tác động đến chức năng của các chỉnh sửa gen đối với tế bào đó.
“Nếu chúng ta có thể giảm chi phí viết bộ gen, các ứng dụng sẽ có thể biến đổi.”, Amy Schwartz (chủ tịch và kiêm đồng giám đốc điều hành của GP-write) khẳng định về việc GP-write cung cấp miễn phí phần mềm GP-write CAD (có thu phí đối với doanh nghiệp thương mại), thân thiện và dễ tiếp cận nhằm giúp các nhà khoa học thiết kế bộ gen nhanh hơn, rẻ hơn và đáng tin cậy hơn.
Trong khi GP-write hy vọng GP-write CAD sẽ trở thành một công cụ tiêu chuẩn cho ngành sinh học tổng hợp, thì những công ty lớn cũng đang sở hữu những phần mềm chuyên dụng riêng dùng để thiết kế và chỉnh sửa bộ gen. Chẳng hạn như công ty sinh học tổng hợp Gingko Bioworks đang ứng dụng phần mềm CAD riêng để tái thiết kế một số sinh vật đơn bào như nấm men và vi khuẩn, nhằm mục đích biến chúng thành các “nhà máy siêu nhỏ” sản xuất các vật liệu sinh học có chủ đích. Phần mềm CAD của Ginkgo Bioworks có thể thiết kế đến 20.000 mẫu gen hàng tháng.
Về mặt ứng dụng thực tế của phần mềm Lattice, ông Doug Densmore đã đặt tình huống rằng nhà khoa học muốn tạo ra một loại vi khuẩn có chứa bộ cảm biến sinh học phát hiện một số tình trạng trong ruột, và sau đó giải phóng một số phương pháp điều trị. Điều đó sẽ yêu cầu thêm một gen cho cảm biến sinh học, một gen mã hóa việc sản xuất chất điều trị, chất này sẽ tích tụ bên trong vi khuẩn và sau đó là một gen tự hủy khiến vi khuẩn bị vỡ và giải phóng thuốc. Quá trình mô phỏng của Lattice sẽ giúp hiện thực hóa hoàn cảnh những gen được bổ sung đó sẽ tương tác như thế nào, kiểm tra mã lỗi và đưa ra dự đoán về chức năng của vi khuẩn.
Ông Farren Isaacs (Phó Giáo sư về sinh học phân tử, tế bào ở Đại học Yale) lưu ý tuy rằng khởi điểm của các phần mềm CAD chỉ với bộ gen tham chiếu của một số sinh vật đơn giản, chẳng hạn như nấm men và vi khuẩn E. coli, nhưng sẽ được nâng cấp thiết kế đủ khả năng hoạt động với bất kỳ bộ gen tham chiếu nào. Vì thế, an toàn sinh học là điều quan tâm hàng đầu đối với bất kỳ ai tham gia vào quá trình chỉnh sửa gen và sinh học tổng hợp, nhằm đảm bảo rằng người dùng không tạo ra virus hoặc các loại vũ khí sinh học khác.
Hoàng Kim (CESTI) - Theo IEEE Spectrum