Sinh học tổng hợp đang viết lại cuộc sống.

Cuối năm 2023, các nhà khoa học tế bào nấm men được tiết lộ với một nửa bản thiết kế di truyền của họ được thay thế bằng DNA nhân tạo. Đó là thời điểm “bước ngoặt” trong dự án 18 năm để thiết kế các phiên bản thay thế của mỗi nhiễm sắc thể nấm men. Mặc dù có bảy nhiễm sắc thể tổng hợp rưỡi, các tế bào vẫn sinh sản và phát triển.

Một nghiên cứu mới đưa chúng ta lên bậc thang tiến hóa để trở thành thực vật thiết kế.

Đối với một dự án có tên SynMoss, một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc đã thiết kế lại một phần nhiễm sắc thể đơn trong một loại rêu. Cây tổng hợp một phần thu được phát triển bình thường và tạo ra các bào tử, khiến nó trở thành một trong những sinh vật sống đầu tiên có nhiều tế bào mang nhiễm sắc thể nhân tạo một phần.

Những thay đổi tùy chỉnh trong nhiễm sắc thể của thực vật là tương đối nhỏ so với nấm men tổng hợp. Nhưng đó là một bước hướng tới việc thiết kế lại hoàn toàn bộ gen ở các sinh vật cấp cao hơn.

Trong một cuộc phỏng vấn với Khoa học, nhà sinh vật học tổng hợp, Tiến sĩ Tom Ellis của Đại học Hoàng gia Luân Đôn cho biết đây là “lời cảnh tỉnh cho những người nghĩ rằng bộ gen tổng hợp chỉ dành cho vi khuẩn”.

Nâng cấp cuộc sống

Những nỗ lực viết lại cuộc sống không chỉ nhằm thỏa mãn trí tò mò khoa học.

Việc mày mò DNA có thể giúp chúng ta giải mã lịch sử tiến hóa và xác định các đoạn DNA quan trọng giữ cho nhiễm sắc thể ổn định hoặc gây bệnh. Các thí nghiệm cũng có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về “vật chất tối” của DNA. Nằm rải rác trong bộ gen, các chuỗi bí ẩn không mã hóa protein từ lâu đã khiến các nhà khoa học bối rối: Chúng hữu ích hay chỉ là tàn dư của quá trình tiến hóa?

Các sinh vật tổng hợp cũng làm cho việc chế tạo các sinh vật sống trở nên dễ dàng hơn. Ví dụ, vi khuẩn và nấm men đã được sử dụng để nấu bia và tạo ra các loại thuốc cứu sống như insulin. Bằng cách thêm, chuyển đổi hoặc xóa các phần của bộ gen, có thể mang lại cho các tế bào này những khả năng mới.

Trong một nghiên cứu gần đâyVí dụ, các nhà nghiên cứu đã lập trình lại vi khuẩn để tổng hợp protein bằng cách sử dụng các khối xây dựng axit amin không thấy trong tự nhiên. trong một nghiên cứu, một nhóm đã biến vi khuẩn thành Kẻ hủy diệt nhai nhựa để tái chế chất thải nhựa thành vật liệu hữu ích.

Mặc dù ấn tượng nhưng vi khuẩn được tạo thành từ các tế bào không giống như tế bào của chúng ta – vật liệu di truyền của chúng trôi nổi xung quanh, khiến chúng có thể dễ dàng tái tạo lại hơn.

Sản phẩm Dự án men tổng hợp là một bước đột phá. Không giống như vi khuẩn, nấm men là một tế bào nhân chuẩn. Thực vật, động vật và con người đều thuộc loại này. DNA của chúng ta được bảo vệ bên trong một bong bóng giống như hạt gọi là hạt nhân, khiến các nhà sinh học tổng hợp gặp nhiều khó khăn hơn trong việc điều chỉnh.

Và đối với sinh vật nhân chuẩn, thực vật khó điều khiển hơn nấm men – một sinh vật đơn bào – vì chúng chứa nhiều loại tế bào phối hợp tăng trưởng và sinh sản. Những thay đổi về nhiễm sắc thể có thể diễn ra khác nhau tùy thuộc vào cách thức hoạt động của từng tế bào và từ đó ảnh hưởng đến sức khỏe của cây.

Nhóm nghiên cứu viết trong bài báo của họ: “Sự tổng hợp bộ gen ở các sinh vật đa bào vẫn là lãnh thổ chưa được khám phá”.

Chậm mà chắc

Thay vì xây dựng một bộ gen hoàn toàn mới từ đầu, nhóm nghiên cứu đã sửa đổi bộ gen rêu hiện có.

Lớp lông tơ màu xanh lá cây này đã được nghiên cứu rộng rãi trong phòng thí nghiệm. Một phân tích sớm của bộ gen rêu cho thấy nó có 35,000 gen tiềm năng – cực kỳ phức tạp đối với thực vật. Tất cả 26 nhiễm sắc thể của nó đã được giải trình tự hoàn chỉnh.

Vì lý do này, loài thực vật này là “mô hình được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu sinh học tế bào và phát triển tiến hóa”, nhóm nghiên cứu viết.

Các gen của rêu dễ dàng thích ứng với những thay đổi của môi trường, đặc biệt là những gen sửa chữa tổn thương DNA do ánh sáng mặt trời. So với các loại cây khác—chẳng hạn như cây cải xoong, một loại cây sinh học mẫu khác ưa chuộng—rêu có sẵn khả năng chịu đựng những thay đổi lớn về DNA và tái sinh nhanh hơn. Nhóm nghiên cứu giải thích rằng cả hai khía cạnh đều “thiết yếu” khi viết lại bộ gen.

Một lợi ích khác? Rêu có thể phát triển thành một cây hoàn chỉnh chỉ từ một tế bào. Khả năng này là một viễn cảnh trong mơ đối với các nhà sinh học tổng hợp vì việc thay đổi gen hoặc nhiễm sắc thể chỉ trong một tế bào có thể thay đổi toàn bộ sinh vật.

Giống như của chúng ta, nhiễm sắc thể thực vật trông giống như chữ “X” với hai cánh tay chéo nhau. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã quyết định viết lại nhánh nhiễm sắc thể ngắn nhất ở thực vật—nhiễm sắc thể 18. Đây vẫn là một dự án khổng lồ. Trước đây, sự thay thế lớn nhất chỉ khoảng 5,000 chữ cái DNA; nghiên cứu mới cần thay thế hơn 68,000 chữ cái.

Nhóm nghiên cứu viết rằng việc thay thế các chuỗi DNA tự nhiên bằng “các đoạn tổng hợp lớn được thiết kế lại đặt ra một thách thức kỹ thuật ghê gớm”.

Họ áp dụng chiến lược chia để trị. Đầu tiên, họ thiết kế các đoạn DNA tổng hợp có kích thước trung bình trước khi kết hợp chúng thành một “khối lớn” DNA duy nhất của nhánh nhiễm sắc thể.

Nhiễm sắc thể mới được thiết kế có một số thay đổi đáng chú ý. Nó đã bị loại bỏ các transposon hay còn gọi là “gen nhảy”. Các khối DNA này di chuyển xung quanh bộ gen và các nhà khoa học vẫn đang tranh luận xem liệu chúng có cần thiết cho các chức năng sinh học bình thường hay chúng góp phần gây ra bệnh tật. Nhóm nghiên cứu cũng đã thêm các “thẻ” DNA vào nhiễm sắc thể để đánh dấu nó là tổng hợp và thực hiện những thay đổi về cách nó điều chỉnh việc sản xuất một số protein nhất định.

Nhìn chung, những thay đổi này đã làm giảm kích thước của nhiễm sắc thể gần 56%. Sau khi đưa nhiễm sắc thể thiết kế vào tế bào rêu, nhóm nghiên cứu đã nuôi dưỡng chúng thành cây trưởng thành.

Một nửa hoa tổng hợp

Ngay cả với bộ gen được chỉnh sửa kỹ lưỡng, rêu tổng hợp vẫn bình thường một cách đáng ngạc nhiên. Cây dễ dàng phát triển thành bụi rậm lá với nhiều nhánh và cuối cùng tạo ra bào tử. Tất cả các cấu trúc sinh sản đều giống như những cấu trúc được tìm thấy trong tự nhiên, cho thấy thực vật bán tổng hợp có vòng đời bình thường và có khả năng sinh sản.

Thực vật cũng duy trì khả năng phục hồi trước môi trường có độ mặn cao – một sự thích nghi hữu ích cũng được thấy ở các đối tác tự nhiên của chúng.

Nhưng rêu tổng hợp có một số đặc điểm biểu sinh bất ngờ. Biểu sinh học là khoa học về cách tế bào bật hoặc tắt gen. Phần tổng hợp của nhiễm sắc thể có đặc điểm biểu sinh khác so với rêu tự nhiên, với nhiều gen được kích hoạt hơn bình thường. Theo nhóm nghiên cứu, điều này có thể có hại.

Rêu cũng cung cấp những hiểu biết tiềm năng về “vật chất tối” của DNA, bao gồm cả các transposon. Việc loại bỏ các gen nhảy này dường như không gây hại cho cây trồng tổng hợp một phần, cho thấy chúng có thể không cần thiết cho sức khỏe của chúng.

Thực tế hơn, kết quả có thể tăng cường nỗ lực công nghệ sinh học sử dụng rêu để tạo ra nhiều loại protein trị liệu, bao gồm cả những loại protein chống lại bệnh tim, chữa lành vết thương hoặc điều trị đột quỵ. Rêu đã được sử dụng để tổng hợp thuốc y tế. Một bộ gen được thiết kế một phần có thể làm thay đổi quá trình trao đổi chất của nó, tăng khả năng phục hồi chống lại nhiễm trùng và tăng năng suất.

Bước tiếp theo là thay thế toàn bộ nhánh ngắn của nhiễm sắc thể 18 bằng các chuỗi tổng hợp. Họ đang hướng tới việc tạo ra toàn bộ bộ gen rêu tổng hợp trong vòng 10 năm.

Đó là một mục tiêu đầy tham vọng. So với bộ gen của nấm men phải mất 18 năm và sự hợp tác toàn cầu để viết lại một nửa trong số đó, bộ gen của rêu lớn hơn 40 lần. Nhưng với công nghệ đọc và tổng hợp DNA ngày càng hiệu quả và rẻ hơn, mục tiêu này không nằm ngoài tầm tay.

Các kỹ thuật tương tự cũng có thể truyền cảm hứng cho các dự án khác nhằm thiết kế lại nhiễm sắc thể ở các sinh vật ngoài vi khuẩn và nấm men, từ thực vật đến động vật.

Ảnh: Pyrex / Wikimedia Commons

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/