Các nhà sinh học sắp tái cơ cấu được mã di truyền của sự sống

Dân trí

Các nhà khoa học đã thiết kế được – mặc dù chưa ghép nối hoàn chỉnh – một chương trình mã hóa gen của Escherichia coli mà có thể sử dụng một chương trình mã hóa protein khác từ một trong các gen mà tất cả các cơ thể sống đều có.

Các nhà khoa học đang biến đổi các chỉ dẫn tổng hợp protein của vi khuẩn Escherichia coli (Ảnh: C.Bickel/Science)
Các nhà khoa học đang biến đổi các chỉ dẫn tổng hợp protein của vi khuẩn Escherichia coli (Ảnh: C.Bickel/Science)

Công việc đáng kinh ngạc này yêu cầu thay đổi 62.000 chuỗi ADN, và bộ gen hoàn chỉnh sẽ là công trình kỹ thuật di truyền phức tạp nhất từ trước đến giờ. Các nhà phát minh dự đoán rằng E.coli có bộ gen viết lại này có thể trở thành một yếu tố chủ đạo mới cho các công trình thí nghiệm và là cơ sở cho hóa chất công nghiệp mới.

Việc xâm nhập vào bộ gen với một quy mô lớn như vậy dường như là không thể, nhưng điều đó không còn đúng nữa. Peter Carr là một kỹ sư sinh học tại Phòng thí nghiệm Lincoln của Viện Công nghệ Massachusetts ở Lexington, Mỹ, ông không tham gia vào nghiên cứu này và đã phát biểu: “Điều đó không hề dễ dàng, những chúng ta vẫn có thể sắp đặt lại cuộc sống ở những quy mô sâu sắc hơn, thậm chí là ở vấn đề cốt yếu như mã di truyền”.

Việc xâm nhập vào bộ gen hiện đang được tiến hành trong phòng thí nghiệm của giáo sư George Church tại Đại học Harvard, người tiên phong và cũng là người đứng đầu về trật tự ADN. Công trình này lợi dụng ưu thế về sự dồi dào của các mã di truyền trong sự sống, sử dụng ngôn ngữ ADN để hướng dẫn các thiết bị tổng hợp nên protein của tế bào. Để sản xuất ra protein, các tế bào “đọc” bảng chữ cái 4 ký tự của ADN trong các bộ ba gọi là đơn vị mã - codon. 64 bộ ba thừa đủ để mã hóa được 20 loại axit amin trong tự nhiên, cũng giống như các bộ ba kết thúc đánh dấu sự kết thúc của gen. Kết quả là, mã di truyền có nhiều bộ ba cho cùng một loại axit amin, chẳng hạn như bộ ba CCC và CCG đều mã hóa axit amin proline.

Church và các nhà khoa học khác đã đưa ra giả thuyết rằng các codon dư thừa có thể được loại bỏ - ví dụ như bằng cách trao đổi mỗi CCC thành CCG trong mỗi gen – mà không làm tổn hại đến tế bào. Các gen cho phép CCC được dịch mã thành proline sau đó có thể bị xóa hoàn toàn. Farren Isaacs, một kỹ sư sinh học tại Đại học Yale, và là người cộng sự của Church cho thấy một mã kết thúc có thể được hoán đổi hoàn toàn ở E.coli, cho biết: ”có một số tế bào được mã hóa lại có “ứng dụng chết người” như vậy”.

Các tế bào này có thể miễn dịch với các virus làm suy yếu các phản ứng sinh học, ví dụ như, nếu các gen quan trọng của virus đó có các codon không thể dịch mã được. Những thay đổi này cũng cho phép các nhà sinh học tổng hợp để tái sử dụng các codon thừa được giải phóng, nhằm thực hiện một chức năng hoàn toàn khác biệt, chẳng hạn như mã hóa cho một axit amin tổng hợp mới.

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu của Church quyết định loại bỏ 7 trong số 64 codon của vi khuẩn E.coli. Matthieu Landon, một trong số các nghiên cứu sinh của Church cho biết, “mục tiêu đó có vẻ như là “một sự cân bằng hợp lý” giữa số trao đổi có thể đạt được về mặt kỹ thuật và số lượng trao đổi quá nhiều nhưng vẫn cho phép một tế bào có thể sống sót. Và thậm chí, 7 codon thừa ra có thể mã hóa lại thành 4 axit amin (không tự nhiên) khác nhau.

Nhưng việc thực hiện nhiều thay đổi như vậy, ngay cả bằng kỹ thuật chỉnh sửa ADN mới nhất – chẳng hạn như CRISPR – dường như vẫn là điều không thể. May mắn là, chi phí của việc tổng hợp ADN đã giảm mạnh trong thập kỷ vừa qua. Vì vậy, thay vì chỉnh sửa ở một vị trí trên bộ gen, nhóm nghiên cứu của Church đã sử dụng các thiết bị để kéo dài bộ gen đã được mã hóa lại, mỗi đoạn có chứa nhiều thay đổi.

Nhóm nghiên cứu hiện đã chuyển sang việc chèn các đoạn này vào E.coli và đảm bảo rằng không một sự thay đổi gen nào làm chết tế bào. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu chỉ thử nghiệm được 63% các bộ gen đã mã hóa lại, nhưng một số thay đổi đáng kể đã gây ra các rắc rối.

Liệu báo cáo về quá trình này từ phòng thí nghiệm của Church có đưa các nhà sinh học đến ngưỡng cửa của kỷ nguyên mới của các virus có các tế bào đã trải qua quá trình công nghệ sinh học tự do? “Có khả năng, các giai đoạn tiếp theo của việc tổng hợp, thử nghiệm, và tổ hợp sẽ phải mất vài năm. 5% khó khăn nhất của giai đoạn thiết kế có thể sẽ đòi hỏi tới 95% nỗ lực”.

Trong khi đó, một vấn đề khác có khả năng chi phối các cuộc thảo luận này: đó là tính an toàn. Một vấn đề được lo ngại là E.coli tái mã hóa đó có thể tạo ra nhiều protein “không tự nhiên” có thể gây độc, và khả năng đề kháng của các tế bào đối với các virus này sẽ cho chúng một lợi thế cạnh tranh nếu chúng trốn thoát vào môi trường – hay vào thành ruột của chúng ta. Church thừa nhận “Khi chúng ta tiếp cận gần hơn khả năng đề kháng với đủ loại virus, điều này sẽ trở nên quan trọng hơn”.

Về mặt hình thức, các vi khuẩn mang theo các yếu tố không an mà Church lên kế hoạch chế tạo sẽ tương tự như các vi khuẩn được dùng để kiểm soát loài khủng long trong phim Jurassic Park. Những sinh vật được tái sinh đó không thể tồn tại nếu không được cung cấp các chất dinh dưỡng đặc biệt do con người cung cấp – cho tới khi chúng tìm thấy nguồn dinh dưỡng trong môi trường tự nhiên. Trong một nghiên cứu công bố năm ngoái, Church đã chứng minh một hệ thống không an toàn đối với các vi khuẩn đã biến đổi có thể trở nên mạnh mẽ hơn nữa. Không chỉ yêu cầu những chất dinh dưỡng không có trong tự nhiên, mà dường như các tế bào gần như không thể vượt qua các rào cản bằng cách đột biến hoặc kết hợp với các tế bào bình thường trong tự nhiên.

Cho dù những người khác sẽ đồng ý với Church rằng, rõ ràng tính không an toàn đó vẫn chưa thể phá vỡ được, thì “thuật ngữ “an toàn” cần được xem xét kỹ lưỡng hơn rất nhiều. Thay vì quan tâm đến ý nghĩa tất cả - hoặc không có gì của “an toàn” hoặc “không an toàn”, thì việc mô tả mức độ của các nguy cơ này hữu ích hơn nhiều.

Anh Thư (Theo Sciencemag)