Các nhà khoa học tạo thành công sinh vật bán tổng hợp, có thể tiết ra những vật chất sinh học chưa từng thấy

Đầu năm, các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Scripps, Hoa Kỳ cho biết: Họ đã tạo ra được một dạng sự sống bán tổng hợp. Đó là những vi khuẩn chứa DNA cấu tạo từ ba cặp nucleotide cơ sở thay vì hai. Điều này khiến chúng khác biệt so với tất cả các dạng sống tự nhiên trên Trái Đất, có vật chất di truyền chỉ chứa 2 cặp A-T và G-C.

Mới đây, nhóm nghiên cứu đã lại công bố một kết quả tiến triển hơn từ công việc này. Họ tìm ra cách giúp cặp cơ sở nhân tạo X-Y của mình được sao chép và dịch mã bình thường như A, T, G, C.

Điều này có thể cho phép vi khuẩn bán tổng hợp tiết ra những sản phẩm sinh học chưa từng có trong tự nhiên. Có thể một ngày nào đó, chúng ta sẽ dùng các sinh vật phi tự nhiên này để sản xuất được những loại thuốc ưu việt với độ chính xác và hiệu quả vượt trội.

Sinh vật bán tổng hợp có thể tạo ra những vật chất sinh học chưa từng thấy

Chúng ta biết DNA của tất cả các sinh vật tự nhiên trên Trái Đất đều gồm hai sợi vật chất di truyền xoắn lại với nhau. Mỗi sợi được tạo thành từ 4 đơn phân nucleotide: guanine, thymine, cytosine và adenine (G, T, C, A)

Sinh vật bán tổng hợp (SSO) được tạo ra bởi nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Scripps thì khác. Ngoài A, T, G, C, nó còn có hai nucleotide nhân tạo X và Y. Cặp X-Y được các nhà nghiên cứu tạo ra từ năm 2014.

Khi đó, họ chỉ dám nói rằng chúng có thể được tích hợp vào vi khuẩn E. coli. Thử làm điều này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được một sinh vật bán tổng hợp đầu tiên với DNA mang 3 cặp nucleotide cơ sở. Nhưng có một vấn đề là chúng chỉ sống được vài ngày rồi chết.

“Bộ gen của bạn không thể chỉ ổn định trong một ngày được”, Tiến sĩ Romesberg nói. “Nó phải được ổn định trong suốt cuộc đời bạn. Nếu sinh vật bán tổng hợp là một sinh vật thực thụ, nó phải có khả năng duy trì sự ổn định di truyền ấy”.

Cho tới đầu năm 2017, nhóm nghiên cứu đã phát minh được tổng cộng 3 phương pháp, tạo ra những phiên bản mới của vi khuẩn E. coli với các cặp nucleotide nhân tạo được duy trì vô thời hạn. Nó cho phép những sinh vật bán tổng hợp này sống và khỏe mạnh bình thường như những sinh vật tự nhiên của chúng.

Ngoài A, T, G, C, vi khuẩn bán tổng hợp còn có hai nucleotide nhân tạo X và Y

Để tạo ra được các sinh vật chưa từng có trên Trái Đất này, các nhà khoa học đã phải cải tiến lại hệ thống vận chuyển nucleotide trong tế bào của chúng. Họ đã khiến cho hệ thống vận chuyển này có thể mang được các nucleotide X và Y rồi chèn nó vào đúng đoạn gen đích.

“Hệ thống vận chuyển đã được sử dụng trong nghiên cứu năm 2014, nhưng nó làm cho các sinh vật mắc bệnh nặng”, Yorke Zhang, một thành viên trong nhóm nghiên cứu cho biết. Tuy nhiên sau đó, anh và đồng nghiệp đã tinh chỉnh lại và vi khuẩn không còn gặp phản ứng bất lợi.

Tiếp theo đó, họ thay đổi phân tử đã từng được sử dụng để tạo nên nucleotide Y, và nhận thấy rằng nó đã có thể phù hợp hơn với các enzyme đang làm nhiệm vụ sao chép và tổng hợp DNA trong vi khuẩn.

Sau cùng, nhóm nghiên cứu sử dụng công cụ chỉnh sửa gen mang tính cách mạng CRISPR-Cas9, để khiến cho E. coli công nhận những cặp cơ sở X-Y là một phần của chúng, chứ không phải phân tử ngoại lai.

Kết quả là những khuẩn E. coli bán tổng hợp đã sống khỏe mạnh và có thể mang theo các cặp cơ sở nhân tạo vô thời hạn. “Chúng tôi đã khiến cho các sinh vật bán tổng hợp này trở thành dạng sống thực sự hơn”, Tiến sĩ Romesberg nói.

Các sinh vật bán tổng hợp chứa cặp cơ sở X-Y có thể tạo ra những protein chứa axit amin phi tự nhiên (ncAA)

Bây giờ, trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature ngày hôm nay, Viện Scripps cho biết rằng các nhà khoa học của họ đã cải tiến dạng sống bán tổng hợp của họ. Nhờ vậy, vi khuẩn này có thể sao chép và dịch mã các nucleotide X và Y với hiệu quả tương đương như các nucleotide tự nhiên A, T, G, và C.

“Các mã di truyền phi tự nhiên có thể được dịch như các cặp cơ sở hoàn toàn tự nhiên”, các nhà nghiên cứu tuyên bố trong bài báo.

Thông qua quá trình phiên mã mới, cơ thể sinh vật có thể tổng hợp các protein chứa các axit amin phi tự nhiên (ncAAs). Quá trình này sẽ mở đường cho những phương pháp mới, sao chép các phân tử với sự phụ thuộc ít hơn vào các liên kết hydro.

Các sản phẩm sinh ra từ quá trình mới có thể là những vật chất sinh học chưa từng có trong tự nhiên, được chỉ đạo từ sự kết hợp phi tự nhiên của cặp nucleotide cơ sở mới. "Chúng tôi đã kiểm tra việc giải hai mã di truyền phi tự nhiên, nhưng các cặp nucleotide nhân tạo trong đó dường như không tạo ra giới hạn khi chúng ở đó”, nhóm nghiên cứu viết.

“Do đó, sinh vật được báo cáo có thể là một trong những dạng sống bán tổng hợp mới, có thể mang một loạt các hình thức và chức năng không có trong sinh vật tự nhiên”.

Chính xác thì sinh vật mới này có thể tạo ra thứ gì thì chúng ta chưa biết chắc chắn. Nhưng rõ ràng, sau nghiên cứu này, sự sống trên Trái Đất sẽ ngày càng trở nên phức tạp và đa dạng hơn dưới sự can thiệp của con người.

Tham khảo Businessinsider, ScienceAlert