Thuật ngữ 'sinh học tổng hợp' xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1980 khi Barbara Hobom sử dụng nó để mô tả vi khuẩn biến đổi gen được tạo ra bằng công nghệ DNA tái tổ hợp.¹. Mặc dù là một ngành khoa học tương đối non trẻ, khía cạnh biến đổi của sinh học tổng hợp đã có tác động vô song đến các ngành nghiên cứu khác nhau. Các liên minh toàn cầu của các tổ chức liên quan đến sinh học tổng hợp, chẳng hạn như Liên minh SynBio (https://community.igem.org/synbio-alliance), đã được thành lập để tiếp tục mở rộng nghiên cứu về ứng dụng của chúng và thúc đẩy đổi mới công nghệ. Các cơ quan này tích cực khuyến khích nỗ lực hợp tác giữa các bên liên quan trong bối cảnh sinh học tổng hợp trên toàn thế giới.

Tín dụng: Oxy/Khoảnh khắc/Getty

Trong khi hầu hết các nỗ lực nghiên cứu về sinh học tổng hợp theo nghĩa truyền thống đều tập trung vào các phương pháp tiếp cận dựa trên công nghệ sinh học (ví dụ, mạng lưới gen tổng hợp cho cảm biến sinh học, kỹ thuật dòng trao đổi chất, phát hiện thuốc chống vi khuẩn, phát triển kháng thể trị liệu), thì nghiên cứu tế bào tổng hợp từ dưới lên đã đạt được động lực đáng kể và nhằm mục đích giải quyết các câu hỏi cơ bản còn tồn tại và tạo ra các ứng dụng có ý nghĩa. Để đạt được mục tiêu này, cộng đồng tế bào tổng hợp đã tự tổ chức xoay quanh chủ đề trọng tâm là tạo ra các tế bào nhân tạo với sáng kiến ​​'Xây dựng một tế bào' (https://www.buildacell.org/). Thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu trong cộng đồng tế bào tổng hợp từ dưới lên là tập hợp một đơn vị chức năng tối thiểu, có ngăn cách, có khả năng tự duy trì, tự tái tạo và đáp ứng kích thích và cuối cùng có thể biểu hiện những đặc điểm của quá trình tiến hóa của Darwin. Ngoài ra, việc nghiên cứu các hệ thống được tái tạo tối thiểu này sẽ mang lại cho chúng ta cái nhìn sâu sắc hơn về hiện tượng mà chúng ta gọi là 'sự sống'. Ưu điểm của cách tiếp cận từ dưới lên là các tế bào tổng hợp có thể được lắp ráp, nghiên cứu và thử nghiệm trong các điều kiện được kiểm soát dựa trên các biến số và mô hình dự đoán.

Theo hướng này, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được nhiều ngăn mô phỏng sinh học chức năng khác nhau. Chúng được ghép lại với nhau thông qua quá trình tự lắp ráp hoặc được lập trình bằng cách sử dụng các khối xây dựng mô-đun với các thành phần phân tử tự nhiên và phi tự nhiên, tóm tắt lại một số bộ phận chức năng thiết yếu và tính năng của tế bào tự nhiên.^2,3. Khi xem xét hầu hết các ví dụ này, rõ ràng là hai lĩnh vực khoa học riêng biệt này, đó là kỹ thuật tế bào tổng hợp từ dưới lên và công nghệ sinh học nano, tiếp tục giao thoa và hội tụ. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên vì các nguyên tắc chi phối ảnh hưởng đến quá trình lắp ráp từ dưới lên dẫn đến sự hình thành ngăn màng, các phản ứng hóa học xảy ra trong các không gian này, sự vận chuyển có chọn lọc qua các rào cản và giàn giáo này mang lại sự ổn định cơ học hoàn toàn phù hợp với chế độ 'nano' . Một số ví dụ đáng chú ý của các nghiên cứu gần đây trong đó sự đan xen như vậy là rõ ràng là việc sử dụng ceria nanozyme để kích hoạt thụ thể trong tín hiệu xuyên màng⁴, Giàn giáo dựa trên origami DNA đóng vai trò là bộ xương cấu trúc và vận chuyển túi định hướng⁵và chuyển động của liposome được điều khiển bởi vòng phản hồi cơ hóa với sự trợ giúp của protein MinE⁶. Bên cạnh đó, một nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra rằng thuốc nổ A, một GTPase của vi khuẩn được hỗ trợ bởi các cấu trúc nano DNA liên kết với cholesterol như chất tạo màng tổng hợp, có thể được sử dụng như một máy phân chia một thành phần để thực hiện quá trình phân hạch hoàn toàn của các tế bào tổng hợp dựa trên màng lipid.⁷. Không có gì đáng ngạc nhiên, sự hội tụ như vậy về mặt lịch sử đã kích thích các cuộc thảo luận xung quanh nhận thức luận⁸.

Những nỗ lực nghiên cứu tế bào tổng hợp phải có mục tiêu thực tế trước mắt. Vì mục đích này, những ý tưởng và quan điểm kích thích tư duy đã được nêu lên và thảo luận trong một chuyên đề gần đây về 'Sự bắt chước tế bào: kỹ thuật sự sống từ dưới lên' trên tạp chí Giao diện tập trung (https://royalsocietypublishing.org/toc/rsfs/2023/13/5). Các ứng dụng có thể dự đoán được mà các phương pháp tiếp cận từ dưới lên đối với tế bào tổng hợp có thể cho phép sẽ bao gồm từ cảm biến sinh học để chẩn đoán đến lò phản ứng nano để điều trị, trong miễn dịch tổng hợp để tạo ra tín hiệu tế bào miễn dịch và vật liệu sinh học thích ứng/thông minh. Nhiều cơ hội trong số này thúc đẩy các nhà nghiên cứu dấn thân vào những lĩnh vực chưa được khám phá, giải quyết các vấn đề mới và đề xuất các giải pháp mới. Tuy nhiên, vẫn còn sớm để suy đoán liệu chúng ta có đang ở giai đoạn mà các thực thể được thiết kế thể hiện các chức năng giống sự sống mới nổi (hay 'Cuộc sống 2.0') sẽ tác động đến các khía cạnh hàng ngày của cuộc sống con người hay không.

At Công nghệ nano tự nhiên, chúng tôi chia sẻ sự lạc quan và hào hứng của cộng đồng sinh học tổng hợp về cuộc hành trình đáng kinh ngạc phía trước. Chúng tôi hy vọng các phương pháp tiếp cận dựa trên công nghệ sinh học nano sẽ tiếp tục kích thích nghiên cứu về các tế bào tổng hợp từ dưới lên. Công nghệ nano tự nhiên sẽ luôn là ngôi nhà của những nghiên cứu mang tính đột phá và những cột mốc quan trọng trong lĩnh vực sinh học tổng hợp từ dưới lên, với khía cạnh 'nano' là cốt lõi của nghiên cứu. Điều quan trọng không kém là chúng tôi cũng muốn thể hiện sự quan tâm của mình đến việc tham gia cộng đồng tế bào tổng hợp trong nỗ lực không ngừng của họ nhằm gắn kết với xã hội rộng lớn hơn về các khía cạnh triết học và đạo đức của sự hội tụ của các lĩnh vực từ sinh học tổng hợp và công nghệ sinh học nano cho Cuộc sống 2.0.