Bước ngoặt vĩ đại: Con người đã "lập trình" được vi khuẩn

Các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra khuẩn E. coli có DNA gốc nhân tạo, không phải từ tự nhiên.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge cho biết họ đã viết lại DNA của vi khuẩn Escherichia coli, tạo ra một bộ gene tổng hợp lớn gấp bốn lần và phức tạp hơn nhiều so với bất kỳ cố gắng tương tự nào trước đây.

Các vi khuẩn đã sống tốt. Dù có hình dạng bất thường và sinh sản khá chậm, các tế bào của chúng hoạt động theo một bộ quy tắc sinh học thuần túy, tạo ra protein quen thuộc.

Thành tựu này một ngày nào đó có thể tạo ra dạng sinh vật sản xuất các loại thuốc mới hoặc các hợp chất có giá trị khác. Những vi khuẩn tổng hợp này cũng có thể cung cấp manh mối về cách mà mã ADN đã được sinh ra trong giai đoạn đầu sự sống trên hành tinh chúng ta.

Cột mốc lớn của ngành công nghệ sinh học

Đó là lời khẳng định của Tom Ellis, giám đốc Trung tâm Sinh học tổng hợp tại Đại học Hoàng gia London. "Chưa từng có ai làm được điều này trước đây", ông nói.

Mỗi gene trong bộ gene sự sống được mã hóa chỉ bởi 4 phân tử cơ bản là adenine, thymine, guanine và cytosine (thường được mô tả bằng các chữ cái đầu tiên: A, T, G, C). Một gene có thể được tạo thành từ hàng nghìn phân tử như vậy.

Ảnh quét màu của vi khuẩn E. coli. Các nhà khoa học tại Đại học Cambridge đã tạo ra vi khuẩn với DNA được mã hóa lại. (Ảnh: Carl Zimmer).

Gene là “bản hướng dẫn” tế bào sản sinh ra các protein khác nhau cho sinh vật. Protein thực hiện phần lớn các công việc trong cơ thể, từ vận chuyển oxy trong máu đến tạo ra lực trong cơ bắp con người.

Chín năm trước, các nhà nghiên cứu đã xây dựng bộ gene tổng hợp dài một triệu cặp phân tử. Bộ gene E. coli mới gồm bốn triệu cặp phân tử, được xây dựng bằng các phương pháp hoàn toàn mới.

Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Jason Chin, nhà sinh học phân tử tại Đại học Cambridge, Anh. Việc sản xuất mỗi amino acid trong tế bào được định hướng bởi ba gốc phân tử được sắp xếp trong chuỗi DNA. Mỗi bộ ba này được gọi là một codon. Ví dụ, codon TCT đảm bảo rằng một amino acid gọi là serine được gắn vào phần cuối của mỗi một protein mới.

Vì chỉ có 20 loại amino acid, các nhà khoa học nghĩ rằng bộ gene chỉ cần 20 codon để tạo ra chúng. Nhưng mã di truyền của chúng ta dư thừa rất nhiều, vì những lý do mà không ai hiểu được.

Thực ra, các amino acid được mã hóa bởi 61 codon chứ không phải 20. Ví dụ như sản xuất serine được điều chỉnh bởi sáu codon khác nhau. (Ba codon trong số đó được gọi là codon dừng, cho DNA biết nơi dừng lại của chuỗi một amino acid).

Giống như nhiều nhà khoa học, Tiến sĩ Chin bị hấp dẫn bởi sự dư thừa của bộ gene. Liệu tất cả những đoạn DNA này có cần thiết cho sự sống không?

“Vì các dạng sống phổ biến sử dụng 64 codon, chúng tôi thực sự không có câu trả lời cho các phần dư thừa còn lại của bộ gene”, Tiến sĩ Chin nói. Do đó, ông đã cố gắng tạo ra một sinh vật sống để tìm đáp án.

Một ảnh quét màu từ kính hiển vi điện tử của Mycoplasma mycoides, cho thấy hình ảnh vi khuẩn có bộ gene chứa một triệu cặp cơ sở. Bây giờ các nhà khoa học đã tạo ra một bộ gene E.coli lớn hơn bốn lần. (Ảnh: Thomas Deerinck).

Sau một số thí nghiệm sơ bộ, ông và các đồng nghiệp đã thiết kế phiên bản sửa đổi của bộ gen E. coli trên máy tính, chỉ cần 61 codon để sản xuất tất cả các amino acid của sinh vật.

Thay vì yêu cầu sáu codon để tạo serine, bộ gene này chỉ sử dụng bốn. Nó có hai codon dừng thay vì ba. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã xử lý DNA của E. coli như thể đó là một tệp văn bản khổng lồ, thực hiện chức năng tìm kiếm và thay thế tại hơn 18.000 điểm.

Bây giờ các nhà nghiên cứu đã có bản thiết kế chi tiết cho bộ gene mới gồm bốn triệu cặp phân tử. Họ có thể tổng hợp DNA trong phòng thí nghiệm, nhưng đưa các DNA này vào vi khuẩn là một thách thức khó khăn. Việc này cũng giống như thay DNA tự nhiên bằng DNA nhân tạo.

Bộ gene quá dài và cực kỳ phức tạp để đưa vào một tế bào. Các nhà nghiên cứu đã xây dựng các phân đoạn nhỏ và hoán đổi từng mảnh trong bộ gene của E. coli. Cuối cùng, toàn bộ gene của E.Coli được thay 100% bằng gene nhân tạo.

May mắn thay, E. coli nhân tạo đã không chết. Các vi khuẩn nhân tạo này phát triển chậm hơn so với E. coli thông thường. Chúng phát triển các tế bào hình que dài hơn.

Tiến sĩ Chin hy vọng sẽ xây dựng trên thí nghiệm này bằng cách loại bỏ nhiều codon, đồng thời nén mã di truyền nhiều hơn nữa.

Vẫn còn rất tốn kém

Nhóm Cambridge chỉ là một trong nhiều nhóm nghiên cứu nhằm xây dựng bộ gene tổng hợp. Các ứng dụng của công nghệ này là vô kể, nhưng đáng kể hơn cả là khả năng kháng virus của các bộ gene nhân tạo.

Nhiều công ty ngày nay sử dụng vi khuẩn biến đổi gene để tạo ra các loại thuốc như insulin hoặc hóa chất hữu ích như enzyme tẩy rửa. Nếu một đợt bùng phát virus tấn công các bể lên men, đó sẽ là thảm họa. Tuy nhiên, vi khuẩn có DNA tổng hợp sẽ miễn nhiễm với các cuộc tấn công như vậy.

Công nghệ chế tạo vi khuẩn hiện vẫn rất tốn kém. (Ảnh: Rankred).

Các nhà khoa học cũng có thể lập trình tế bào để bộ gene của chúng không hoạt động ở các loài khác, một dạng “tường lửa sinh học”.

Ngoài 20 amino acid được sử dụng bởi tất cả sinh vật sống, còn có hàng trăm loại khác. Một mã di truyền nén sẽ giải phóng các codon được bộ gene sử dụng để tạo ra nhiều loại protein khác. Tuy vậy công nghệ này vẫn còn rất tốn kém.

E. coli đã chứng minh rõ ràng rằng bộ gene của nó có thể được tổng hợp. Như vậy sẽ không còn xa khi chúng ta bắt đầu “lập trình” thêm những loài khác. “Về lý thuyết, bạn có thể lập trình bất cứ sinh vật sống nào”, một nhà sinh học cho biết.