Tạo ra tế bào tổng hợp để cô lập mạch di truyền

Các nhà nghiên cứu Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) hiện nay đã chứng minh rằng các mạch này có thể được cô lập trong phạm vi từng "tế bào" tổng hợp, ngăn chúng phá hủy nhau. Các nhà nghiên cứu cũng có thể kiểm soát thông tin liên lạc giữa các tế bào, cho phép các mạch hoặc các sản phẩm của chúng được kết hợp tại những thời điểm cụ thể.

"Đây là một cách để có sức mạnh của các tầng di truyền đa thành phần, cùng với khả năng xây dựng bức tường giữa chúng để chúng không thể giao tiếp với nhau. Chúng sẽ không can thiệp vào nhau theo cách chúng sẽ làm nếu tất cả chúng được đưa vào một tế bào đơn lẻ hoặc vào một cốc thủy tinh, "Edward Boyden, phó giáo sư về kỹ thuật sinh học và khoa học về não bộ và nhận thức tại MIT nói. Boyden cũng là một thành viên của Viện nghiên cứu Não bộ McGovern và Media Lab thuộc MIT, và là nhà nghiên cứu tại Viện Y học Howard Hughes Medical Institute-HHMI và tổ chức Simons.

Cách tiếp cận này có thể cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế mạch sản xuất các sản phẩm phức tạp hoặc hành động như các cảm biến phản ứng với những thay đổi trong môi trường của chúng, trong số các ứng dụng khác.

Boyden là tác giả của một bài báo mô tả kỹ thuật này trong Nature Chemistry ấn hành ngày 14 tháng 11. Các tác giả chính của bài báo là cựu sau tiến sĩ của MIT Kate Adamala, hiện là phó giáo sư tại Đại học Minnesota, và cựu sinh viên MIT Daniel Martin-Alarcon. Katriona Guthrie-Honea, cựu trợ lý nghiên cứu MIT, cũng là một tác giả của bài báo.

Điều khiển mạch

Nhóm nghiên cứu của MIT bao gói mạch di truyền của họ trong các giọt nhỏ được gọi là liposome, là màng chất béo tương tự như màng tế bào. Các tế bào tổng hợp này không sống nhưng được trang bị nhiều bộ máy tế bào cần thiết để đọc ADN và sản xuất protein.

Bằng cách cách ly mạch bên trong liposome riêng của chúng, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các chương trình con của mạch riêng biệt mà không thể chạy trong cùng một khuôn chứa cùng một lúc, song có thể chạy song song với nhau, giao tiếp theo cách được kiểm soát. Phương pháp này cũng cho phép các nhà khoa học sử dụng lại các công cụ di truyền tương tự, bao gồm cả các gen và các yếu tố phiên mã (là protein bật hoặc tắt gen), để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong một mạng.

"Nếu bạn tách mạch thành hai liposome khác nhau, bạn có thể có một công cụ làm một công việc trong một liposome, và cùng công cụ đó làm một công việc khác trong liposome khác," Martin-Alarcon nói. "Nó mở rộng các khả năng mà bạn có thể làm với cùng những khối xây dựng như vậy."

Phương pháp này cũng cho phép truyền thông giữa các mạch từ các loại sinh vật khác nhau, chẳng hạn như vi khuẩn và động vật có vú.

Để chứng minh, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một mạch sử dụng các phần di truyền của vi khuẩn để đáp ứng với một phân tử được gọi là theophylline, là thuốc tương tự như caffein. Khi phân tử này có mặt, nó kích hoạt một phân tử khác được gọi là doxycycline rời khỏi liposome và xâm nhập vào một tập hợp các liposome chứa mạch di truyền của động vật có vú. Trong các liposome này, doxycycline kích hoạt một thác di truyền sản xuất luciferase, là loại protein tạo ra ánh sáng.

Sử dụng một phiên bản sửa đổi của phương pháp này, các nhà khoa học có thể tạo ra các mạch làm việc cùng nhau để tạo ra phương pháp điều trị sinh học như các kháng thể, sau khi cảm nhận một phân tử đặc biệt được phát ra từ một tế bào não hay tế bào khác.

"Nếu bạn nghĩ rằng mạch vi khuẩn như mã hóa một chương trình máy tính, và mạch động vật có vú đang mã hóa một nhà máy, bạn có thể kết hợp các mã máy tính của mạch vi khuẩn và nhà máy của mạch động vật có vú thành một hệ thống lai độc đáo", Boyden nói.

Các nhà nghiên cứu cũng đã thiết kế các liposome có thể kết hợp được với nhau theo cách có kiểm soát. Để làm điều đó, họ lập trình các tế bào với protein gọi là SNARE, tự chèn vào màng tế bào. Ở đó, chúng liên kết với SNARE tương ứng thấy trên bề mặt của liposome khác, làm cho các tế bào tổng hợp hợp nhất lại. Thời gian của phản ứng tổng hợp này có thể được kiểm soát để làm cho các liposome sản xuất các phân tử khác nhau. Khi các tế bào hợp nhất, những phân tử này được kết hợp để tạo ra một sản phẩm cuối cùng.

Nhiều mô đun hơn

Các nhà nghiên cứu tin rằng phương pháp này có thể được sử dụng cho hầu như bất kỳ ứng dụng nào mà các nhà sinh học tổng hợp đã thực hiện. Nó cũng có thể cho phép các nhà khoa học theo đuổi các ứng dụng tiềm năng hữu ích đã được thử nghiệm trước kia nhưng đã bị hủy bỏ vì các mạch di truyền gây cản trở nhau quá nhiều.

"Cách mà chúng tôi đã viết trong bài báo này không hướng tới chỉ là một ứng dụng", Boyden nói. "Câu hỏi cơ bản là: bạn có thể làm cho các mạch này có nhiều mô đun hơn? Nếu bạn có tất cả mọi thứ như một mớ hỗn độn trong một tế bào, nhưng bạn tìm ra các mạch không phù hợp hoặc độc hại, sau đó đặt bức tường giữa các phản ứng này và cho chúng khả năng giao tiếp với nhau có thể sẽ rất hữu ích. "

Vincent Noireaux, phó giáo sư vật lý tại Đại học Minnesota, mô tả cách tiếp cận của MIT là "một phương pháp khá mới lạ để học hỏi cách các hệ thống sinh học làm việc."

"Sử dụng biểu hiện không tế bào có nhiều ưu điểm: Về mặt kỹ thuật các công việc được giảm xuống đến nhân bản (ngày nay nhanh chóng và dễ dàng), chúng ta có thể liên kết xử lý thông tin đến chức năng sinh học giống như tế bào sống làm, và chúng ta thực hiện cô lập mà không có biểu hiện gen khác xảy ra trong nền," Noireaux, người không tham gia nghiên cứu cho biết.

Một ứng dụng có thể khác của cách tiếp cận này là giúp các nhà khoa học khám phá cách các tế bào sớm nhất có thể đã tiến hóa hàng tỷ năm trước đây. Bằng kỹ thuật thiết kế mạch đơn giản vào liposome, các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu cách thức các tế bào có thể phát triển khả năng cảm nhận môi trường, phản ứng với các kích thích, và sinh sản.

"Hệ thống này có thể được sử dụng để lập mô hình hành vi và đặc tính của các sinh vật đầu tiên trên trái đất, cũng như giúp thiết lập các ranh giới vật lý của sự sống kiểu Trái Đất để tìm kiếm sự sống ở nơi khác trong hệ mặt trời và xa hơn nữa," Adamala nói.

Linh Trang (Tổng hợp)