Vi sinh vật bán nhân tạo - Đột phá mới trong sinh học phân tử

Sự sống trên trái đất đã xuất hiện cách đây khoảng 3,5 tỷ năm và kéo dài cho tới tận hôm nay với chỉ 4 loại phân tử base trong bộ mã di truyền.

Các base này – biểu thị bằng 4 chữ cái G, C, A và T - hiện diện trong các phân tử ADN và được mọi cơ thể sống sử dụng để định hướng cho quá trình tổng hợp protein. Tuy nhiên, các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Scripps (TSRI), Hoa Kỳ đã thiết kế được một loại vi khuẩn có khả năng tích hợp được 2 loại phân tử base không có trong tự nhiên (các base nhân tạo) - có tên là X và Y - vào trong bộ gene có chứa 4 loại base tự nhiên ở trên để mã hóa cho các protein.

Tế bào có thể dịch mã các base mới tạo ra protein

Chủng vi khuẩn E.coli “bán nhân tạo” (hay bán tổng hợp – semi synthesis) này là loại vi khuẩn đầu tiên có chứa các base mới, và chúng có thể sử dụng các base này để mã hóa cho quá trình tổng hợp protein trong tế bào. GS. Floyd Romesberg, tác giả của công trình nghiên cứu, đây không thể được gọi là một dạng sống mới, nhưng nó lại gần nhất với một dạng sự sống mà con người có thể tạo ra. Đây cũng là lần đầu tiên một tế bào có thể dịch mã được protein trong đó sử dụng các base không phải G, C, A và T.

Nghiên cứu này được xây dựng dựa trên những nỗ lực trước đó của Romesberg và cộng sự nhằm mở rộng các loại base tồn tại tự nhiên trong phân tử ADN. Nếu chỉ sử dụng 4 loại base G, C, A, và T thì sinh vật chỉ có thể mã hoá được cho 20 acid amin, trong khi đó nếu thêm 2 base mới nữa là X và Y thì số lượng acid amin được mã hoá sẽ đạt tới con số 152.

GS.omesberg và cộng sự của ông đã trải qua 20 năm nghiên cứu để đạt được thành tựu có tính đột phá như hôm nay. Vào năm 2014, nhóm nghiên cứu có được bước tiến nhảy vọt khi tạo ra một loại vi sinh vật có khả năng sao chép các base X và Y trong phân tử ADN của nó. Một năm trước đó, họ cũng phát hiện rằng loại vi khuẩn này có thể lưu giữ những thông tin di truyền và chuyển lại cho thế hệ con cháu trong quá trình phân chia tế bào. Tuy nhiên, việc lưu giữ và di truyền thông tin qua các base mới là chưa đủ, vì để thực sự hữu ích thì chúng cần được phiên mã thành phân tử ARN rồi sau đó dịch mã thành protein.

Các tế bào phát huỳnh quang có trình diện một loại protein được mã hoá bởi các base nhân tạo trong phân tử ADN.

Nhóm nghiên cứu có được bước tiến quan trọng thông qua tích hợp các base mới vào bộ gen chứa 4 loại base tự nhiên. Những gen này sau đó được phiên mã thành phân tử ARN (cũng có chứa các base mới) và rồi phân tử ARN này được tế bào sử dụng để định hướng cho việc gắn kết các acid amin mới vào phân tử protein.

Phân tử protein được tạo thành trong quá trình trên là một biến thể của loại protein phát huỳnh quang xanh lục (green fluorescent protein, GFP), một chất chỉ điểm có khả năng phát quang tự nhiên thường được sử dụng trong các thí nghiệm về di truyền học, và có chứa các acid amin đặc biệt không tồn tại trong tự nhiên được tích hợp ở một vị trí lựa chọn trước.

Romesberg cho rằng, đây chỉ là một biến đổi rất nhỏ mà con người có thể thực hiện đối với cách vận hành tự nhiên của sự sống, nhưng lại là một biến đổi có tính chất tiên phong.

Xác định lại vai trò của các liên kết hydro

Nghiên cứu này cũng lần đầu tiên cho thấy các liên kết hydro (được cho là có vai trò quyết định trong quá trình giải mã ADN) có thể không có tầm quan trọng như các nhà khoa học đã nghĩ trước đó. Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng các lực liên kết khác ngoài tương tác hydro có thể tham gia nhiều lần vào tất cả các bước của quá trình lưu giữ và giải mã thông tin di truyền.

Các nhà khoa học này đã thiết kế X và Y có tính kỵ nước để chúng chỉ có thể ghép đôi với nhau mà không liên kết với các base tự nhiên, nhằm giữ cho chúng không gắn kết một cách ngẫu nhiên với A, T, C hoặc G. Và điều này hoá ra lại gợi mở rằng việc thiếu các liên kết hydro bổ sung sẽ không gây ảnh hưởng gì đến tế bào, vì họ phát hiện rằng X và Y cũng có thể được phiên mã và dịch mã thành công.

Như vậy, phát hiện đáng chú ý của nghiên cứu này không chỉ ở chỗ tế bào có khả năng phiên mã và dịch mã được các base nhân tạo kỵ nước, mà còn ở chỗ chúng thực hiện 2 quá trình này một cách rất hiệu quả. Độ tinh khiết của acid amin mong muốn dịch mã để gắn kết vào phân tử protein đạt được tới 98% chứng tỏ rằng các base nhân tạo này có thể tích hợp một cách nhịp nhàng vào các quá trình tự nhiên của tế bào để mã hoá và giải mã thông tin di truyền.

Hy vọng rằng trong tương lai kết quả của nghiên cứu này sẽ được ứng dụng phục vụ cho mục đích điều trị bệnh.