Nanopore là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Nanopore là gì?

Nanopore là một loại lỗ siêu nhỏ có đường kính trong khoảng từ 1 đến 100 nanomet, thường được dùng để phân tích các phân tử đơn lẻ như DNA, RNA, protein hoặc các ion nhỏ. Kích thước siêu nhỏ của nanopore cho phép nó nhận diện và đo lường chính xác sự thay đổi khi từng phân tử đi qua. Công nghệ này hiện đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực sinh học phân tử, phân tích vật liệu, và chẩn đoán y sinh hiện đại.

Các nanopore có thể được tạo ra từ vật liệu sinh học (như protein) hoặc từ các vật liệu vô cơ (như silic hoặc graphene). Khi đặt trong môi trường có dòng ion, sự tương tác giữa nanopore và các phân tử đi qua sẽ gây ra các tín hiệu điện đặc trưng. Việc phân tích các tín hiệu này cho phép xác định đặc điểm hóa học hoặc trình tự cấu trúc của phân tử đó, chẳng hạn như chuỗi nucleotide trong DNA.

Khác với các công nghệ phân tích truyền thống cần khuếch đại mẫu hoặc xử lý qua nhiều bước, công nghệ nanopore cho phép đo trực tiếp các phân tử đơn trong thời gian thực, với thiết bị nhỏ gọn, dễ mang theo. Tính linh hoạt và khả năng xử lý dữ liệu nhanh đã mở ra tiềm năng lớn cho nanopore trong cả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn, như giải mã gen tại hiện trường hoặc phân tích protein tại giường bệnh.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ nanopore

Công nghệ nanopore hoạt động dựa trên hiện tượng thay đổi dòng điện khi một phân tử đi qua một lỗ nhỏ được đục trong một màng mỏng. Một điện thế được đặt qua màng, tạo ra dòng ion đi từ bên này sang bên kia qua nanopore. Khi không có phân tử nào đi qua, dòng ion ổn định. Nhưng khi một phân tử như DNA hoặc RNA đi qua nanopore, nó cản trở dòng ion, gây ra sự thay đổi dòng điện.

Các thay đổi này được ghi nhận bằng cảm biến và giải mã bằng các thuật toán xử lý tín hiệu, cho phép nhận diện đặc điểm cụ thể của từng đoạn phân tử. Trong trường hợp giải trình tự DNA, mỗi base (A, T, C, G) tạo ra một tín hiệu điện khác nhau, từ đó có thể đọc được chuỗi nucleotide một cách liên tục.

Nguyên lý dòng điện cơ bản được mô tả bằng định luật Ohm:

$I = \frac{V}{R}$

Nơi mà: I là dòng điện, V là hiệu điện thế đặt qua màng, và R là điện trở của hệ thống nanopore. Khi một phân tử đi qua, điện trở thay đổi tạm thời, tạo nên dao động dòng điện mà hệ thống cảm biến ghi nhận và phân tích.

So sánh khả năng phát hiện tín hiệu khi có và không có phân tử qua nanopore:

Trạng thái	Điện trở (R)	Dòng điện (I)	Ý nghĩa tín hiệu
Không có phân tử	Ổn định	Không đổi	Dòng cơ sở
Có phân tử đi qua	Tăng	Giảm tạm thời	Biến thiên theo đặc tính phân tử

Các loại nanopore

Các loại nanopore hiện nay được chia thành hai nhóm chính dựa trên nguồn gốc cấu tạo: nanopore sinh học và nanopore rắn. Mỗi loại có ưu điểm và hạn chế riêng, phù hợp với các mục tiêu ứng dụng khác nhau.

Nanopore sinh học thường được tạo từ protein tự nhiên như α-hemolysin hoặc MspA, được gắn vào một màng lipid mỏng để tái tạo môi trường sinh học. Những nanopore này có khả năng tạo ra dòng ion ổn định và có hình dạng rất đồng đều. Điều này cho phép nhận diện tín hiệu rất rõ ràng khi các phân tử đi qua. Tuy nhiên, độ bền của hệ thống thấp và dễ bị phá hủy trong môi trường vật lý khắc nghiệt.

Nanopore rắn được chế tạo từ vật liệu như silic nitride, graphene hoặc các oxit kim loại. Chúng có khả năng kiểm soát hình học chính xác đến cấp độ nguyên tử, và đặc biệt bền với môi trường. Điều này khiến chúng phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ ổn định cao, hoặc phân tích các phân tử tổng hợp có kích thước lớn hơn. Tuy nhiên, dòng tín hiệu qua nanopore rắn thường kém ổn định hơn do bề mặt không đồng nhất.

Bảng so sánh nanopore sinh học và rắn:

Tiêu chí	Nanopore sinh học	Nanopore rắn
Chất liệu	Protein (α-hemolysin, MspA)	Silic, graphene, oxit kim loại
Độ bền	Thấp, nhạy với môi trường	Cao, chịu được điều kiện khắc nghiệt
Độ ổn định tín hiệu	Cao	Trung bình - phụ thuộc vào vật liệu
Ứng dụng	Giải trình tự DNA/RNA	Phân tích protein, phân tử tổng hợp

Ứng dụng trong giải trình tự DNA

Giải trình tự DNA là ứng dụng nổi bật nhất của công nghệ nanopore, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu đọc gen nhanh, rẻ và linh hoạt ngày càng tăng. Hệ thống nanopore cho phép giải mã trực tiếp chuỗi nucleotide mà không cần khuếch đại PCR hay biến đổi hóa học mẫu DNA. Quá trình đọc diễn ra gần như tức thời và có thể thực hiện ngay tại hiện trường.

Các thiết bị thương mại như MinION của Oxford Nanopore Technologies là ví dụ tiêu biểu cho ứng dụng thực tế. Với kích thước chỉ bằng lòng bàn tay, MinION có thể đọc các đoạn DNA dài tới hàng trăm kilobase, phù hợp cho nghiên cứu hệ gen vi sinh, giải mã đột biến hiếm, và giám sát dịch tễ học.

Ưu điểm của giải trình tự DNA bằng công nghệ nanopore:

• Không cần PCR hoặc xử lý hóa học mẫu
• Giải trình tự các đoạn DNA siêu dài
• Thực hiện tại hiện trường với thiết bị di động
• Phân tích thời gian thực và có thể giám sát ngay trong quá trình chạy máy

Những đặc điểm này đặc biệt có giá trị trong các tình huống cần phản ứng nhanh như chẩn đoán bệnh truyền nhiễm, phát hiện đột biến gen ung thư, hoặc kiểm soát chất lượng mẫu trong nghiên cứu y sinh.

Ứng dụng ngoài lĩnh vực gen

Công nghệ nanopore không chỉ giới hạn trong giải trình tự DNA hay RNA mà còn có tiềm năng rộng lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những hướng ứng dụng quan trọng là phân tích protein. Thay vì đọc các base như trong DNA, nanopore có thể nhận diện chuỗi amino acid và các biến thể cấu trúc của protein dựa trên tín hiệu cản trở dòng ion đặc trưng khi chuỗi peptide đi qua lỗ nano.

Việc đọc protein ở cấp độ đơn phân tử là một bước tiến quan trọng trong proteomics, bởi vì nó cho phép phân tích trực tiếp mà không cần các bước biến đổi hóa học như huỳnh quang hay đánh dấu khối lượng. Điều này giúp phát hiện đột biến điểm, cấu trúc bậc hai, hoặc các thay đổi sau dịch mã (post-translational modifications) một cách nhạy và chính xác hơn.

Nanopore cũng có thể được ứng dụng để phát hiện các ion, phân tử nhỏ và độc chất trong môi trường hoặc trong mẫu sinh học. Ví dụ, phát hiện nhanh kim loại nặng, thuốc trừ sâu hoặc các phân tử thuốc trong máu chỉ cần một mẫu rất nhỏ và không yêu cầu thiết bị phân tích cồng kềnh.

• Giám sát môi trường: phân tích độc tố, vi sinh vật gây hại
• Chẩn đoán lâm sàng: phát hiện nhanh biomarker bệnh
• Phân tích chất chuyển hóa: xác định chất trong máu, nước tiểu

Hạn chế kỹ thuật và thách thức

Mặc dù công nghệ nanopore mang lại nhiều đột phá, vẫn tồn tại một số hạn chế khiến nó chưa thể thay thế hoàn toàn các công nghệ truyền thống như Illumina trong nhiều ứng dụng nghiên cứu chuyên sâu. Một trong những hạn chế quan trọng nhất là độ chính xác. Dù đã được cải thiện rõ rệt nhờ các mô hình học máy, tỷ lệ lỗi vẫn còn cao hơn so với các nền tảng thế hệ thứ hai (NGS).

Lý do chính nằm ở độ nhiễu cao trong tín hiệu dòng ion, phụ thuộc nhiều vào môi trường, cấu trúc nanopore và tốc độ luồng phân tử đi qua. Việc phân tích các đoạn trình tự có cấu trúc lặp lại hoặc các base bị biến đổi hóa học cũng dễ dẫn đến sai sót giải mã. Ngoài ra, các protein nanopore dễ bị bất ổn trong quá trình bảo quản hoặc sử dụng lâu dài.

Một số thách thức cụ thể:

1. Kiểm soát tốc độ phân tử đi qua nanopore
2. Xử lý nhiễu tín hiệu trong môi trường mẫu thực
3. Chuẩn hóa thiết bị và quy trình giữa các phòng thí nghiệm

Hiện tại, các công ty như Oxford Nanopore Technologies đang tích cực phát triển các thuật toán AI mới để cải thiện độ chính xác, đồng thời nghiên cứu cấu trúc nanopore lai (biological + synthetic) để tối ưu hiệu suất hệ thống.

So sánh với các công nghệ giải trình tự khác

Công nghệ nanopore thường được so sánh với các công nghệ giải trình tự thế hệ thứ hai (NGS) như Illumina và Ion Torrent. Trong khi các nền tảng NGS cho kết quả chính xác rất cao, chúng đòi hỏi quy trình chuẩn bị mẫu phức tạp và thiết bị lớn, đắt tiền. Ngược lại, nanopore đơn giản hơn, giá thiết bị thấp hơn, và có thể triển khai ở nơi hạn chế về cơ sở vật chất.

Bảng so sánh các công nghệ phổ biến:

Tiêu chí	Nanopore	Illumina	Ion Torrent
Chiều dài đọc	Lên đến 1 Mb	~150–300 bp	~200 bp
Độ chính xác	~90–98%	>99.9%	~98%
Chi phí đầu tư thiết bị	Thấp	Cao	Trung bình
Yêu cầu PCR	Không	Có	Có
Ứng dụng thực địa	Rất phù hợp	Không phù hợp	Hạn chế

Phát triển công nghệ và tương lai

Trong thập kỷ tới, công nghệ nanopore được dự đoán sẽ đóng vai trò chủ đạo trong các lĩnh vực giải mã nhanh, phân tích cá nhân hóa và ứng dụng y học chính xác. Các hướng phát triển chính bao gồm:

• Tối ưu hóa cấu trúc nanopore để phân tích protein
• Kết hợp với cảm biến điện tử và công nghệ AI trong xử lý tín hiệu
• Tích hợp vào các thiết bị cầm tay hoặc wearable cho y học tại chỗ

Một số nghiên cứu đang phát triển hệ thống giải trình tự trên điện thoại thông minh, nơi dữ liệu từ nanopore được gửi trực tiếp đến nền tảng đám mây để giải mã tức thời. Điều này sẽ mang lại cuộc cách mạng cho chẩn đoán nhanh tại điểm chăm sóc (point-of-care) và phản ứng dịch tễ học tức thì.

Bên cạnh đó, các cải tiến trong vật liệu nanopore như sử dụng graphene một lớp nguyên tử đang mở ra tiềm năng tăng độ nhạy và giảm độ nhiễu tín hiệu tới mức tối đa, nâng cao độ chính xác mà vẫn giữ chi phí thấp.

Tài liệu tham khảo

1. Bayley, H. (2015). Nanopore sequencing: from imagination to reality. Clinical Chemistry, 61(1), 25–31. DOI: 10.1373/clinchem.2014.223016
2. Deamer, D., Akeson, M., & Branton, D. (2016). Three decades of nanopore sequencing. Nature Biotechnology, 34(5), 518–524. DOI: 10.1038/nbt.3423
3. Branton, D. et al. (2008). The potential and challenges of nanopore sequencing. Nature Biotechnology, 26, 1146–1153. DOI: 10.1038/nbt.1495
4. Rang, F.J., Kloosterman, W.P., de Ridder, J. (2018). From squiggle to basepair: computational approaches for improving nanopore sequencing read accuracy. Genome Biology, 19(1), 90. DOI: 10.1186/s13059-018-1462-9
5. Oxford Nanopore Technologies. Products & Applications. nanoporetech.com
6. MinION device. Oxford Nanopore. nanoporetech.com/products/minion