Hệ thống xử lý mẫu DNA được kích hoạt bằng giọng nói: Giảm khả năng lây nhiễm
TS. Bùi Hoàng Khang (Đại học Kyung Hee, Hàn Quốc) và cộng sự đã nghiên cứu và phát triển thành công thiết bị xử lý mẫu DNA tự động, nhỏ gọn, dễ sử dụng và chế tạo hơn. Nhờ được tích hợp tính năng nhận dạng giọng nói, thiết bị này cũng hứa hẹn sẽ giúp các nhà khoa học và kỹ thuật viên xử lý các mẫu dễ bị lây nhiễm một cách an toàn và thuận tiện hơn.
Dù vẫn là một phần công việc thường nhật của các nhân viên y tế, song việc xử lý mẫu bệnh phẩm COVID nói riêng và các mẫu vi khuẩn khác nói chung đã trở thành một vấn đề đáng chú ý kể từ khi đại dịch COVID-19 xuất hiện và lây nhiễm cho hơn 680 triệu người trên toàn thế giới.
Trong bối cảnh ấy, thiết bị xử lý mẫu DNA mới của nhóm nghiên cứu thuộc ĐH Kyung Hee (Hàn Quốc) dường như là một giải pháp đầy tiềm năng để giảm thiểu lây nhiễm cho các nhà nghiên cứu và kỹ thuật viên, đồng thời đẩy nhanh tốc độ xử lý.
Tối ưu hóa thiết kế
Trước hết, cần hiểu rằng khi các nhà khoa học làm việc với các mẫu chứa mầm bệnh, họ sẽ cần phải thao tác trên số lượng nhỏ nhất có thể để tránh khả năng lây nhiễm vi khuẩn. Và đối với các bệnh do vi khuẩn có tính lây lan cao gây ra, việc phân tích mẫu tại chỗ là phương án lý tưởng để giúp các bác sỹ chẩn đoán nhanh chóng. Ở một khía cạnh khác, đối với các nhà khoa học bị khiếm thị hoặc khiếm khuyết về thể chất khác, việc vận hành các dụng cụ phức tạp, đặc biệt là những dụng cụ được thiết kế để thao tác với số lượng mẫu nhỏ như hiện nay cũng có thể là cả một thách thức lớn. Thực tế này đã đặt ra một bài toán cho TS. Khang và các đồng nghiệp: cần phải chế tạo ra các thiết bị có khả năng hoạt động nhanh chóng thông qua khẩu lệnh mà không cần phải thao tác bằng tay để giúp quá trình này trở nên dễ dàng và an toàn hơn.
Thiết bị do nhóm TS. Bùi Hoàng Khang nghiên cứu và phát triển. Ảnh: Nhóm nghiên cứu cung cấp
Trong bài toán ấy, nhóm nghiên cứu xác định rằng, bước đầu tiên và quan trọng nhất là phải tối ưu hóa được một hệ thống trích xuất thu nhỏ để việc xử lý mẫu trở nên dễ thao tác hơn. Chia sẻ về bài báo “Function of the Speech Recognition of the Smartphone to Automatically Operate a Portable Sample Pretreatment Microfluidic System” mới được đăng trên tạp chí ACS Sensors, TS. Khang thẳng thắn cho biết, 80% công sức và điểm đặc biệt của nghiên cứu nằm ở bước thiết kế kỹ thuật cho thiết bị này.
Một trong những thách thức lớn nhất khi chế tạo chip vi lỏng - một bộ phận quan trọng trong thiết bị này - đó là nó rất dễ bị rò rỉ. “Bởi vậy, làm thế nào để các bộ phận có thể dính với nhau không bị tách rời ra và điều khiển chính xác được nước từ ô này qua ô khác trong thiết bị là điều rất quan trọng”, TS. Khang cho biết.
Bên cạnh đó, việc thiết kế tối ưu thiết bị cũng đồng nghĩa với việc phải đảm bảo quãng đường di chuyển của mẫu trong thiết bị là ngắn nhất, “nếu quãng đường di chuyển càng dài thì mẫu càng bị vướng lại và mất mát nhiều, hiệu suất sẽ càng thấp”, anh giải thích. Tuy nhiên, việc thiết kế đường đi ngắn ấy cũng phải song hành với một yếu tố khác: đảm bảo việc tách DNA đi qua đủ bốn bước - mẫu, rửa lần một, rửa lần hai và dung dịch rửa giải - đồng thời phải có hai ô để tách bỏ chất thừa và lưu giữ mẫu cho các bước tiếp theo. “Do đó chúng tôi lại phải nghĩ tới chuyện làm sao để số lượng van trong thiết bị tối ưu nhất”, TS. Khang giải thích. Bên cạnh đó còn vô số các vấn đề khác như áp suất khí, cách sắp xếp các lớp (layer),...
“Không có một cách giải quyết vấn đề nào xuất hiện đột ngột cả mà chỉ có liên tục thay đổi, cải tiến từng chi tiết nhỏ để thiết bị tiệm cận với sự tối ưu nhất mà thôi”, TS. Khang nhớ lại. Thế nên không bất ngờ khi anh chia sẻ rằng, trải qua ba năm nghiên cứu, anh và các đồng nghiệp đã phải thay đổi đến 30 phiên bản thiết kế khác nhau. “Điểm mấu chốt của nghiên cứu là việc thiết kế tối ưu để tăng hiệu suất tách chiết DNA tới một mức chấp nhận được, tương xứng với các sản phẩm thương mại khác, nhưng đồng thời sản phẩm này lại dễ sử dụng hơn thông qua việc có thể gắn miếng chip lên trên thiết bị một cách dễ dàng”, TS. Khang cho biết.
Tích hợp nhận dạng giọng nói
Trong thời đại mà điện thoại thông minh hay các thiết bị công nghệ trở nên vô cùng phổ biến, các công cụ trở lý ảo được điều khiển bằng giọng nói như Alexa, Siri and Google Assistant cũng không còn là một khái niệm xa lạ. Tuy nhiên, dù được ứng dụng rộng khắp trong rất nhiều lĩnh vực, việc tích hợp nhận dạng giọng nói như vậy lại hầu như chưa đặt chân đến mảng thiết bị y sinh. “Có nhiều cái khó khăn. Do thiết bị y sinh cần sự phức tạp, chính xác, nên không thể nào có những câu lệnh chung chung như ra lệnh tắt, mở ti vi được”, TS. Khang cho biết. Song, dưới góc nhìn của anh, đây vẫn là một cơ hội để thử nghiệm bởi “chất lượng của các thuật toán nhận dạng giọng nói càng ngày càng tốt hơn, dễ dàng và chính xác hơn, do đó tôi cho rằng thời điểm này là phù hợp để mở rộng ứng dụng của nó qua thiết bị y sinh”.
Theo đó, từ những thiết kế tối ưu ở quá trình nghiên cứu đầu tiên, nhóm của TS. Khang đã tạo ra một con chip vi lỏng với nhiều ngăn được liên kết với nhau bằng sáu van điện từ ba chiều, một bộ định tuyến không khí, các đường áp suất và chân không với động cơ bơm không khí, được vận hành bởi một bộ điều khiển vi mô kết nối với module Bluetooth. Thiết bị có kích thước bằng lòng bàn tay chỉ nặng 11 ounce (khoảng 0,3 kg) và có thể được cấp nguồn bằng pin di động hoặc bộ sạc điện thoại thông minh 5V. Sau đó, bằng cách sử dụng phần mềm nhận dạng giọng nói hiện có, nhóm đã phát triển một ứng dụng điện thoại thông minh dựa vào nền tảng MIT App Inventor (MAI) để nghe các lệnh thoại cụ thể.
Mô phỏng hoạt động thiết bị của nhóm TS. Bùi Hoàng Khang. Ảnh: Nhóm nghiên cứu cung cấp
Với cấu tạo như vậy, khi người dùng nói to một trong các lệnh điều khiển, ứng dụng sẽ gửi tín hiệu không dây đến bộ điều khiển vi mô. Sau khi nhận được tín hiệu, bộ vi điều khiển sẽ tự động bắt đầu một loạt các bước, bao gồm tải mẫu, rửa và giải phóng DNA tinh khiết vào buồng thu thập. Dù hiện nay hệ thống hiện yêu cầu người dùng chạm vào điện thoại thông minh để khởi động phần mềm nhận dạng giọng nói, tuy nhiên, “toàn bộ hoạt động có thể được thực hiện hoàn toàn không cần chạm tay trong tương lai với việc bổ sung phần mềm trợ lý ảo”, nhóm nghiên cứu cho biết.
Trong các thử nghiệm, thiết bị điều khiển bằng giọng nói đã chiết xuất DNA từ vi khuẩn Salmonella Typhimurium, tinh chế mẫu 10µL với hiệu suất 70% trong vòng chưa đầy một phút. “Salmonella Typhimurium không phải là vi khuẩn duy nhất có thể được chiết xuất, hệ thống này hoàn toàn có thể dùng để xử lý mẫu của nhiều loại vi khuẩn khác nhau”, TS. Khang cho biết. Mặc dù hệ thống này có hiệu suất thấp hơn so với bộ trích xuất DNA truyền thống, nhưng các nhà nghiên cứu cho biết khả năng điều khiển bằng giọng nói, tính di động và tự động hóa nhanh chóng hứa hẹn sẽ giúp cho việc xét nghiệm DNA vi khuẩn trở nên thuận tiện và an toàn hơn. “Hiện tại độ chính xác của khả năng nhận dạng giọng nói của thiết bị đang phụ thuộc vào phần mềm của Google mà nhóm sử dụng, do đó nó chưa được cá nhân hóa để nhận dạng giọng nói của từng người khác nhau. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, điều này hoàn toàn có thể được giải quyết chỉ trong vòng 1-2 năm tới”, TS. Khang cho biết.
Điều đáng chú ý là theo TS. Khang, việc chế tạo thiết bị này có chi phí rất rẻ và việc nghiên cứu cũng không cần chi phí đầu tư cao, do đó “việc triển khai nghiên cứu hay sản xuất hàng loạt thiết bị như thế này hoàn toàn có thể thực hiện dễ dàng tại Việt Nam”. Trong tương lai, nhóm của anh cũng đang hướng đến việc tiếp tục nghiên cứu để tăng thêm chức năng cho thiết bị: theo đó, thiết bị sẽ không chỉ tách DNA mà còn có thể xét nghiệm PCR và đưa ra kết quả dương tính hoặc âm tính.
https://khoahocphattrien.vn/
