Khi nhà vật lý Richard Feynman qua đời vào năm 1988, ông đã để lại một dòng chữ trên bảng đen của mình với nội dung: “Những gì tôi không thể tạo ra, tôi không hiểu”. Feynman có thể đã phản ánh bản chất của sự hiểu biết khoa học, nhưng tình cảm cũng phản ánh tinh thần của sinh học tổng hợp. Lĩnh vực khoa học đó liên quan đến việc giải cấu trúc và điều khiển chính xác các quá trình sinh học để kiểm tra khả năng nắm bắt của chúng ta về chúng.

“Mọi người trong ngành sinh học tổng hợp đều thích câu trích dẫn đó,” nói Patrick Shih, một nhà sinh vật học thực vật tổng hợp tại Đại học California, Berkeley. “Đó gần như là nguyên lý trung tâm.”

Nghiên cứu mới về thực vật đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc thực hiện các mục tiêu đầy tham vọng nhất của sinh học tổng hợp. MỘT nghiên cứu được công bố vào tháng trước in Khoa học đã tạo ra một loại mạch di truyền trong rễ cây, có tác dụng lập trình cách chúng phát triển. Các nhà nghiên cứu của Đại học Stanford, đứng đầu là Jennifer Brophy, một kỹ sư sinh học, và José Dinneny, một nhà sinh vật học về hệ thực vật, đã phát triển một bộ công cụ di truyền để kiểm soát xem hệ thống rễ của hai loài thực vật phát triển theo chiều ngang hay chiều ngang và mức độ phân nhánh của rễ. Công trình của họ xác nhận các mô hình di truyền về sự phát triển của thực vật và lần đầu tiên cho thấy rằng có thể lập trình các mô hình chức năng hoạt động của gen theo thời gian trong các mô cụ thể của các sinh vật phức tạp.

Bộ công cụ di truyền mới sẽ rất hữu ích cho các nhà sinh học tổng hợp khác trong các thí nghiệm tương lai của chính họ. Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm của các nhà nghiên cứu không đơn giản như Brophy và các đồng nghiệp của cô đã hy vọng, cho thấy những thách thức của việc áp dụng các cổng logic kỹ thuật số cho các hệ thống sống lộn xộn.

Tua lại sự phát triển của rễ

Mặc dù các nhà sinh học tổng hợp đã đưa các hệ thống kiểm soát di truyền vào vi khuẩn và nuôi cấy các tế bào phức tạp trong khoảng hai thập kỷ, nhưng các vấn đề kỹ thuật đã khiến họ khó thực hiện điều này với các sinh vật đa bào phức tạp như thực vật. Vì vậy, để xây dựng mạch sinh học của mình, Brophy, Dinneny và các đồng nghiệp của họ đã lắp ráp và tinh chế một bộ công cụ phân tử, bao gồm các mảnh vi rút đã biến đổi và vi khuẩn gây ra khối u ở thực vật. Các nhà sinh học tổng hợp thường tạo ra các kỹ thuật và yếu tố di truyền mà họ cần dùng một lần cho các sinh vật và thí nghiệm cụ thể, nhưng nhóm Stanford quan tâm nhiều hơn đến việc lắp ráp một bộ công cụ đa năng có thể thích ứng với các sinh vật khác nhau khi cần.

Với bộ công cụ có thể tùy chỉnh này, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh các mạch di truyền cho các sinh vật cụ thể của họ. Trong trường hợp này, họ đã sử dụng hai sinh vật mẫu phổ biến — Arabidopsis thaliana, họ hàng của cây cải, và Nicotiana benthamiana, một người anh em họ của thuốc lá.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các yếu tố thúc đẩy tổng hợp, giống như công tắc bật/tắt, sẽ liên kết với các gen mục tiêu khác nhau liên quan đến sự phát triển của rễ và kích hoạt chúng. Sau đó, họ liên kết các phần tử điều khiển này với nhau giống như các cổng logic Boolean trong một mạch lập trình được. Các biện pháp kiểm soát cho phép các nhà nghiên cứu tuyển dụng các protein của chính thực vật để thúc đẩy - hoặc ức chế - sự phát triển của rễ.

Họ làm cho cây thể hiện một loạt các biến thể rễ được lập trình sẵn, từ một mạng nhện sắc màu rực rỡ của các sợi lông rễ đến một rễ cái dài, đơn lẻ. Mục tiêu của họ là thể hiện khả năng kiểm soát linh hoạt, thay vì tạo ra một kết quả mong muốn cụ thể. “Đó là một bằng chứng về khái niệm,” nói Olivier Martin, một nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Nông nghiệp, Thực phẩm và Môi trường Quốc gia Pháp, người không tham gia vào nghiên cứu mới cho biết.

Kiểm soát sự phát triển của hệ thống rễ có thể là một cuộc cách mạng đối với nông nghiệp, đặc biệt là ở những vùng bị hạn hán, nơi cuộc sống có thể trở nên khắc nghiệt hơn do biến đổi khí hậu đang diễn ra. Cây trồng có thể được lập trình để phát triển hệ thống rễ nông nhằm nhanh chóng hấp thụ những cơn mưa lớn nhưng không thường xuyên, hoặc cắm rễ thẳng xuống và giữ chúng sát nhau để tránh xâm phạm không gian của hàng xóm.

Các ứng dụng không giới hạn trong nông nghiệp. Martin nói: Thực vật là “nhà hóa học của tự nhiên”. “Chúng tạo ra sự đa dạng đáng kinh ngạc của các hợp chất.” Khai thác khả năng đó thông qua sinh học tổng hợp có thể cho phép các nhà nghiên cứu sản xuất dược phẩm mới ở quy mô lớn.

chống lại sự không nhất quán

Nhưng thành quả của sinh học thực vật tổng hợp vẫn chưa sẵn sàng để tung ra thị trường nông dân hoặc kệ hàng của nhà thuốc. Mặc dù hầu hết các loài thực vật trong các thí nghiệm của Stanford hoạt động theo chương trình của chúng, nhưng biểu hiện gen của chúng không hoàn toàn đen trắng như các nhà nghiên cứu đã hy vọng. “Thậm chí gọi nó là Boolean hay kỹ thuật số cũng khó vì trạng thái 'tắt' không hoàn toàn tắt và trạng thái 'bật' là tương đối," Brophy nói.

Ở rễ, trạng thái “tắt” được biểu thị bằng một nắp rễ hoàn chỉnh, một lớp tế bào trên đỉnh của gân rễ ngăn cản sự phát triển thêm. Trạng thái “bật” được xác định đơn giản bởi sự hiện diện của một gốc hoặc một gốc con. Nhưng các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy rằng một số rễ ở trạng thái “tắt” chỉ phát triển một phần chóp rễ — đủ để ngừng phát triển sau một thời điểm nhất định, nhưng không đủ để ngăn chặn hoàn toàn. Những biểu thức bất thường này xuất hiện thường xuyên nhất khi nhóm áp dụng một cổng logic được phát triển cho nicotiana đến một Cây xạ hương thực vật; chúng có xu hướng biến mất sau khi bộ công cụ được điều chỉnh cho Cây xạ hương gen.

Mặc dù kiểu biểu hiện một phần này làm tăng thêm những thách thức mà sinh học tổng hợp phải đối mặt, nhưng Shih nói rằng nó cũng có thể có những lợi thế: Nó có thể khiến thực vật trở thành đối tượng thí nghiệm dễ dàng hơn so với động vật vì biểu hiện gen một phần ở động vật thường ít rõ ràng hơn (và gây tử vong nhiều hơn) .

Devang Mehta, một nhà sinh học hệ thống tại Đại học Alberta ở Canada, người không tham gia vào nghiên cứu, gọi nghiên cứu của Brophy và Dinneny là một “bước tiến lớn” trong sinh học tổng hợp sinh vật. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng chúng ta không nên đánh giá thấp mức độ thách thức của bước tiếp theo.

Mehta cho biết: “Những thứ như logic Boolean nói riêng rất hữu ích trong các môi trường hạn chế, nơi bạn thực sự có thể kiểm soát các biến môi trường. “Điều này khó thực hiện hơn rất nhiều trong môi trường tự nhiên.”

Đó là bởi vì thực vật và các sinh vật sống khác có khả năng phản ứng cao với môi trường của chúng theo cách mà máy tính không có, điều này làm phức tạp thêm thách thức lập trình chúng bằng các mạch di truyền đáng tin cậy. Brophy đối chiếu chúng với một máy tính, trong đó 2 cộng 2 lần nào cũng bằng 4. “Sẽ là vấn đề nếu 2 cộng 2 bằng 3 khi trời lạnh và 5 khi trời quá sáng,” cô nói. Để triển khai mạch gen Boolean trong các loại cây trồng như ngô hoặc lúa mì mọc trên đồng ruộng, các nhà sinh học tổng hợp phải nghĩ ra cách kiểm soát thời tiết hoặc thực tế hơn là ngăn chặn thực vật phản ứng mạnh với nóng, lạnh và mưa.

Shih nói: “Đó là một hạn chế quan trọng mà lĩnh vực này cần phải giải quyết trước. Anh ấy coi công việc của Brophy và Dinneny như một lộ trình sơ bộ để giải quyết thách thức này. “Bây giờ chúng ta có thể thấy [công cụ] nào hoạt động và công cụ nào không.”

Lưu ý của người biên tập: Là một học giả của Khoa HHMI-Simons, Dinneny đã nhận được tài trợ từ Quỹ Simons, tổ chức này cũng hỗ trợ Quanta, tạp chí báo chí khoa học độc lập về mặt biên tập này.