Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà khoa học vừa tổng hợp được một sinh vật đơn bào nhân tạo, có khả năng lớn lên và phân chia giống như tế bào sống trong tự nhiên. Sinh vật này có dạng giống như vi khuẩn và được đặt tên là JCVI-syn3A.
Để đi tới được kết quả ngày hôm nay, các nhà khoa học đã phải trải qua hàng thập kỷ nghiên cứu, thử nghiệm, thất bại rồi lại khởi động lại nghiên cứu từ đầu. Quá trình này đòi hỏi họ phải tháo tung hàng trăm gen tổng hợp rồi sắp xếp lại chúng như những miếng lego siêu nhỏ dưới kính hiển vi điện tử.
"Mục tiêu của chúng tôi là tìm hiểu được chức năng của từng gen đơn lẻ trong đó, để có thể phát triển một mô hình tế bào có hoạt động và chức năng hoàn chỉnh", nhà vật lý sinh học James Pelletier đang làm việc cho Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) cho biết.
Các gen điều khiển khả năng sinh sản của tế bào, hóa ra, là những mảnh ghép khó nhất nhưng cuối cùng cũng đã được các nhà khoa học chinh phục thành công. Họ cho biết vi khuẩn tổng hợp JCVI-syn3A có thể trở thành tiền đề cho các hệ thống lò phản ứng sinh học, tổng hợp thuốc chữa bệnh, thực phẩm và thậm chí cả nhiên liệu trong tương lai.
Một nghiên cứu kéo dài gần 30 năm
Nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Cell cho biết các nỗ lực tổng hợp tế bào nhân tạo đã được khởi đầu từ thập niên 1990. Tuy nhiên, đến đầu những năm 2000 nghiên cứu lĩnh vực sinh học tổng hợp chỉ gần như giậm chân tại chỗ.
Phải đến năm 2003, một cột mốc đáng chú ý đầu tiên mới được thiết lập. Trong đó, các nhà khoa học đã tổng hợp thành công một virus nhân tạo có thể lây nhiễm vào vi khuẩn. Đó là bước đệm cho các nghiên cứu tiếp theo, nhưng cũng phải chờ tới 7 năm sau, cột mốc đáng chú ý thứ hai mới xuất hiện.
Trong một nghiên cứu năm 2010 được đánh giá là vô cùng đột phá, các nhà khoa học tại Viện J. Craig Venter (JCVI) trực thuộc MIT đã tổng hợp thành công một tế bào vi khuẩn nhân tạo đầu tiên trong lịch sử.
Nó được đặt tên là JCVI-syn1.0, và trở thành sinh vật đầu tiên trên Trái Đất có bộ gen tổng hợp toàn phần:
Vài năm sau, nhóm nghiên cứu tại JCVI tiếp tục tiến thêm được một bước nữa, Họ đã rút ngắn thành công bộ gen của vi khuẩn nhân tạo, biến nó trở thành một vi khuẩn sống có bộ gen ngắn nhất hành tinh.
Đó là sự ra đời của phiên bản JCVI-syn3.0 vào năm 2016, sở hữu 473 gen nhân tạo. Để so sánh, vi khuẩn E. coli trong tự nhiên có tới 4.000 gen và một tế bào của con người sở hữu số lượng gen lên tới hơn 30.000.
Kích thước bộ gen nhỏ của JCVI-syn3.0 cho phép nó tự tồn tại và bắt đầu quá trình phân bào. Mặc dù vậy, các nhà khoa học không hiểu sao quá trình phân bào của vi khuẩn tổng hợp này lại diễn ra một cách rất kỳ lạ.
Chúng tạo ra các tế bào mới với hình thù quái đản so với tế bào gốc. Lẽ ra tế bào mới sinh ra phải có hình cầu và giống y hệt nhau thì một số lại có hình sợi và một số xếp thành chuỗi dính liền nhau bất chấp việc gen của chúng vẫn giống hệt.
Tại sao các tế bào không phân chia đều đặn?
Điều này đã khơi gợi ý chí chinh phục của hai nhà khoa học John Glass và Lijie Sun tại JCIV. Họ đã cùng nhau tổng hợp hàng chục biến thể của JCVI-syn3.0 bằng cách thêm và bớt một số gen ra khỏi nó rồi quan sát sự ảnh hưởng của quá trình này tới sự phân chia tế bào vi khuẩn.
Công việc được giúp sức bởi James Pelletier, Elizabeth Strychalski và các đồng nghiệp tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST). Vai trò của NIST trong nghiên cứu này là tạo ra được một công cụ để quan sát sự phân chia của JCVI-syn3.0 dưới kính hiển vi.
Đây là một thách thức vì thông thường, các nhà khoa học chỉ quan sát các vi khuẩn chết được cố định một chỗ. Sử dụng kính hiển vi để quan sát tế bào sống, nhất là các tế bào đang phân chia là việc khó hơn nhiều.
Bởi các tế bào rất nhỏ, mỏng manh và đang trong quá trình vận động, mọi nỗ lực cố định chúng nằm im dưới kính hiển vi điện tử thường sẽ đi đến chỗ xé toạc và giết chết vi khuẩn trong chớp mắt.
Để giải quyết vấn đề này, Strychalski và Pelletier đã thiết kế một bộ lọc vi chất lỏng cho phép các tế bào sống trên đó giống như một giàn cây leo. Bởi các tế bào sẽ chỉ leo theo hướng của bộ vi lọc, việc cố định chúng không còn cần thiết nữa.
Cuối cùng, điều này đã cho phép các nhà khoa học ở MIT quan sát được kết quả tinh chỉnh gen của họ.
Mất khoảng 5 năm để nhóm nghiên cứu liên ngành đạt tới được kết quả ngày hôm nay. Trong đó, Glass và Sun ở MIT đã tìm ra 19 gen có tác động ổn định quá trình phân bào của JCVI-syn3.0.
Sau khi họ thêm 19 gen này vào vi khuẩn tổng hợp, JCVI-syn3.0 đã được biến thành JCVI-syn3A có khả năng phân chia ổn định và tạo ra các phiên bản tế bào tròn trĩnh, giống với JCVI-syn3A ban đầu hơn cả.
Như bạn có thể thấy trong video dưới đây, JCVI-syn3A chính là những sinh vật nhân tạo đầu tiên trên Trái Đất có khả năng phân chia giống với tế bào vi khuẩn trong tự nhiên:
Tương lai của các sinh vật nhân tạo
"JCVI-syn3A cung cấp một mô hình tối giản để phát triển các nền tảng sinh lý vi khuẩn và kỹ thuật sinh học nói chung", nhóm nghiên cứu cho biết. Hãy tưởng tượng bạn có thể làm gì với những sinh vật nhân tạo này trong tương lai.
Thao túng được gen của vi khuẩn có nghĩa là bạn có thể tạo ra bất cứ sinh vật nào, phục vụ bất cứ mục đích nào của con người trong tương lai: Từ các vi khuẩn lên men, giúp bạn sản xuất sữa chua cho đến các vi khuẩn tạo ra thuốc kháng sinh thế hệ mới, lợi khuẩn giúp điều hòa hoạt động đường ruột và cả những vi khuẩn nhả ra nhiên liệu sinh học.
Một số vi khuẩn thậm chí còn có thể được sử dụng để tấn công tế bào ung thư, một số có thể hoạt động như những cỗ máy tính, với bộ lưu trữ và xử lý dữ liệu hoạt động theo cơ chế sinh học trong gen…
Có thể nói, việc tạo ra được một vi khuẩn nhân tạo cũng giống với một bước nhảy vọt trong nông nghiệp, khi những người nông dân sử dụng máy cày thay cho trâu kéo. Nó hứa hẹn một cuộc cách mạng sinh học tổng hợp sẽ xảy ra trong tương lai.
Mặc dù vậy, có thể vẫn còn một chặng đường dài để đi được tới đó. Các nhà khoa học hiện vẫn chưa hoàn toàn hiểu được hết vi khuẩn JCVI-syn3A. Trong khi họ đã thêm 19 gen mới vào vi khuẩn này, chỉ có 7 gen được cho là có vai trò ổn định quá trình phân chia tế bào của nó.
Và trong số 7 gen ấy, các nhà khoa học mới chỉ xác định được chức năng của 2 gen - được gọi là ftsZ và sepF. Vẫn chưa rõ 5 gen còn lại đóng góp như thế nào vào quá trình phân bào của JCVI-syn3A.
"Sự sống vẫn là một chiếc hộp đen. Nhưng với tế bào tổng hợp được tinh giản hóa này, các nhà khoa học đang có cái nhìn rõ hơn về những gì đang diễn ra bên trong đó", Strychalski cho biết. JCVI-syn3A bây giờ tiếp tục làm nên một cột mốc mới trong lĩnh vực sinh học tổng hợp, một bước đệm cho những sinh vật nhân tạo mới tân tiến hơn có thể ra đời trong một vài năm nữa.
