Kỷ nguyên sinh học 2.0: Khi con người tăng tốc tiến hóa và tạo ra những sinh vật hoàn toàn mới

Hàng ngàn năm trước, người Homo sapiens đã bắt đầu xây dựng mối quan hệ mật thiết với một loài nấm đơn bào. Ở thời điểm đó, họ còn chưa biết hậu thế sẽ gọi mình là Homo sapiens, và loài nấm này sẽ được đặt tên là Saccharomyces cerevisiae.

Thực ra thì S. cerevisiae chính là nấm men, sinh vật đã giúp người Sumer ở Lưỡng Hà tạo ra bia từ hơn 8.000 năm trước. Cột mốc đánh dấu thời điểm con người có thể bắt một loài sinh vật cực nhỏ phục tùng cho mục đích của mình.

Và cho đến tận bây giờ, nấm nem vẫn tiếp tục giúp chúng ta sản xuất ethanol và insulin, phục vụ vô vàn lĩnh vực trong đời sống và cả hoạt động trong phòng thí nghiệm.

Nhưng liệu mối quan hệ giữa Homo sapiens với S. cerevisiae có thể tiến xa hơn nữa? Câu trả lời lá có – ít nhất là khi Jef Boeke biết cách làm điều này.

Vị Giám đốc Viện Di truyền Hệ thống tại Đại học New York đang dẫn đầu một nhóm hàng trăm nhà nghiên cứu quốc tế. Mục đích của Boeke là muốn tổng hợp tất cả 12,5 triệu kí tự di truyền đã tạo nên bộ gen của nấm men.

Điều này có thể giúp tinh chỉnh chúng thành những loài sinh vật mới. Các loài nấm men mới sẽ được gọi là Sc2.0 (Synthetic Yeast 2.0 - Tổng hợp nấm men). Chúng sẽ không chỉ còn giúp con người tạo ra bia, mà còn rất nhiều vật chất có ích khác.

"Trong 10 năm tới, sinh học tổng hợp sẽ sản xuất tất cả các loại hợp chất và vật liệu bằng vi sinh vật", Boeke nói. “Chúng tôi hy vọng rằng nấm men của chúng tôi sẽ đóng một vai trò lớn trong đó".

Hơn 8.000 năm trước, nấm men đã giúp người Sumer làm ra bia. Bây giờ, kỷ nguyên nấm men 2.0 sắp sửa bắt đầu.

Hãy suy nghĩ về dự án này của Boeke giống như Henry Ford chế tạo ra chiếc ô tô đầu tiên. Và cho đến bây giờ, có biết bao nhiêu loại ô tô ngoài kia?

Sc2.0 là một dự án được bắt đầu, với mục đích chính vẫn là thiết kế lên những loại nấm men tốt hơn, để chúng sản sinh ra những hóa chất hữu ích phục vụ cho con người. Tiến hóa tự nhiên đã tối ưu hóa nấm men, khiến chúng tạo ra được rất nhiều thứ từ bia đến sữa chua, nhưng ngoại trừ việc sản xuất enzyme và kháng sinh theo lối công nghiệp.

Nếu có thể tổng hợp bộ gen nhân tạo, chúng ta có thể tạo ra những chủng nấm men không chỉ làm ra sữa chua, mà cả nhiên liệu sinh học, thuốc chữa ung thư, insulin, kháng sinh…

Nó giống như việc chọn lọc tự nhiên đã được tua nhanh ở đáy đĩa thí nghiệm. Cuối cùng, nó cho phép chúng ta lấy được những món quà từ tương lai, chẳng hạn như một chủng nấm men có thể giúp con người xây dựng những nhà máy công nghiệp thế hệ mới.

Trong một tương lai không xa, chúng ta có thể dùng một phần mềm máy tính để thiết kế bộ gen. Rồi thay vì chỉnh sửa DNA, bạn có thể in ngay cả bộ gen đã thiết kế ấy. Hãy tưởng tượng các nhà khoa học sẽ làm gì khi đó, họ sẽ có thể in ra những sinh vật độc đáo, chẳng hạn như tảo tiết ra nhiên liệu, các loài cây trồng miễn nhiễm với bệnh tật hay thậm chí là phục sinh các sinh vật đã tuyệt chủng.

"Tôi nghĩ điều này có thể vĩ đại hơn cả cuộc cách mạng chinh phục không gian, cũng như cách mạng máy tính”, George Church, một nhà khoa học về gen từ trường Y Harvard, nhận định.

XÂY KIM TỰ THÁP TRONG THỜI HIỆN ĐẠI

Công việc tổng hợp toàn bộ bộ gen của nấm men với 12,5 triệu kí tự được ví như người Ai Cập cổ đại xây dựng kim tự tháp. Để xây dựng kim tự tháp Giza, người Ai Cập cổ đã phải đẽo gọt, dịch chuyển và sắp đặt 2,3 triệu khối đá.

Một bộ gen của nấm men chứa tất cả các DNA của nó. Các DNA được hình dung là một thang xoắn, tạo nên từ hai dải ghép lại các cặp nucleotide cơ sở (A-T, G-C). Một bộ gen của nấm men chứa 12,5 triệu cặp cơ sở như vậy.

Bây giờ, tổng hợp bộ gen nấm men là việc mà các nhà khoa học phải nhặt từng chữ cái G,T,C,A, ghép chúng thành 12,5 triệu cặp, rồi lại đặt từng cặp một vào đúng vị trí của nó trên chiếc thang xoắn DNA. Chính xác là từng cặp một, như người Ai Cập đã đẽo gọt từng tảng đá và đặt từng tảng đá ấy vào vị trí của chúng trên kim tự tháp.

Nhưng còn điều gì khác nữa, các nucleotide là không thể cầm nắm được bằng tay. Trong khi bạn đã phải ngưỡng mộ người Ai Cập, bằng cách nào đó, đã dịch chuyển được các tảng đá nặng hàng tấn, việc thao tác với những phân tử nucleotide, chỉ nhỏ bằng 1 phần 3 tỷ mét, còn khó khăn gấp bội.

Hơn nữa, bộ gen của nấm men còn có số cặp cơ sở gấp hơn 5 lần tổng số tảng đá trên kim tự tháp. Có người ví rằng các vị thần đã cho người Ai Cập hai sự lựa chọn hoặc là họ sẽ xây kim tự tháp hoặc là tổng hợp lại bộ gen của nấm men.

Bạn biết kết quả rồi đó, người Ai Cập thà đi xây kim tự tháp, hàng chục cái kim tự tháp cũng được.

Trước đây, các nhà khoa học đã tổng hợp được cấu trúc di truyền của virus và vi khuẩn. Tuy nhiên, đối với nấm men công việc là khó khăn hơn. Nấm men là sinh vật nhân thực – có nghĩa là gen của chúng tập trung trong một hạt nhân và bó lại với nhau thành những nhiễm sắc thể - giống như con người. Bộ gen của sinh vật nhân thực lớn hơn rất nhiều so với vi khuẩn hoặc virus.

Hơn nữa, chi phí cũng không phải rẻ. Cho đến nay, việc đọc toàn bộ DNA của người có thể chỉ mất 1.000 USD. Nhưng đó mới là chi phí cho việc đọc. Để có thể tạo ra và thay thế toàn bộ các kí tự di truyền của nấm men, Boeke đã phải tiêu tốn 1,25 triệu USD. Đó còn chưa kể đến đầu tư thiết bị và trả lương cho các nhà khoa học. Tổng chi phí của dự án đã kéo dài tới 10 năm là nhiều hơn đáng kể.

Cùng với Church, Boeke là một trong số những nhà lãnh đạo của GP-write, một tổ chức ủng hộ nỗ lực làm giảm chi phí của các kỹ thuật gen trong thập kỷ tới. "Chúng ta có rất nhiều thách thức phải đối mặt, giống như bất kể một loài sinh vật nào trên hành tinh này, và sinh học có thể tạo ra sự ảnh hưởng lớn đến tất cả”, Boeke nói. "Nhưng điều đó chỉ xảy ra khi chúng ta có thể cắt giảm chi phí [cho nghiên cứu và các thủ tục sinh học]".

Một phần công việc tổng hợp bộ gen của nấm men đang được thực hiện tại Đại học New York

Hiểu về sự sống và cầm cương quá trình tiến hóa

Tại một hội nghị khoa học vào năm 2004, nhà nghiên cứu Ronald Davis đến từ Đại học Stanford lần đầu tiên đề xuất rằng con người có thể tổng hợp bộ gen của nấm men. Ở thời điểm đó, Boeke đã ngỡ ngàng: "Tại sao mọi người lại muốn làm việc này?”.

Nhưng Boeke đã nhanh chóng nhận ra việc tổng hợp gen nấm men hữu ích thế nào. Nó có thể là cách tốt nhất để hiểu về sự sống và cơ thể của sinh vật. Bằng khả năng tùy chỉnh và thay thế từng kí tự gen, bạn có thể tìm hiểu những gen nào là cần thiết và những gen nào cơ thể có thể sống mà không cần đến.

Tiếp theo sự hiểu biết này, chúng ta có thể tìm cách tinh giản sự sống, tối ưu hóa hay chế tạo ra những dạng sự sống mới.

Leslie Mitchell hiện là nghiên cứu sinh đang làm việc tại Đại học New York, một trong những nhà thiết kế chính của dự án tổng hợp nấm men. "Đây là một cách tiếp cận khác để tìm hiểu xem các sinh vật sống làm việc như thế nào”, cô nói. "Chúng tôi đang tìm hiểu những khoảng trống trong kho kiến thức của chúng ta về sự sống, theo cách tiếp cận di truyền từ dưới lên".

Dự án còn có sự ủng hộ của Joel Bader, một nhà khoa học máy tính tại Đại học Johns Hopkins. Anh đã cam kết sẽ phát triển một phần mềm mô phỏng được các nhiễm sắc thể của nấm men trên màn hình máy tính. Về cơ bản, nó sẽ theo dõi sát sao quá trình thay đổi của chúng. Phần mềm này tựa như một phiên bản Google Docs cho ngành sinh học.

Năm 2008, Boeke đã mở một khóa học tại Đại học Johns Hopkins có tên là "Xây dựng bộ gen". Trong đó, các sinh viên sẽ được dạy cơ bản về sinh học phân tử, sau đó, họ sẽ chịu trách nhiệm lắp ráp một chuỗi 10.000 các kí tự DNA cho dự án tổng hợp nấm men.

Không lâu sau đó, một số tổ chức ở Trung Quốc cảm thấy hứng thú về đề tài này cũng tham gia chia sẻ khối lượng công việc. Song hành với họ còn có cả các tình nguyện viên ở Anh, Australia và Nhật Bản.

"Chúng tôi chỉ định các nhiễm sắc thể cho từng các nhóm, như chỉ định từng chương của cuốn sách, và họ có quyền tự quyết định sẽ làm thế nào, miễn là nó đúng 100% với bản thiết kế của chúng tôi", Patrick Cai, một nhà sinh vật học tổng hợp tại Đại học Manchester, điều phối viên quốc tế của dự án tổng hợp nấm men cho biết.

Hàng triệu năm tiến hóa đang được tua nhanh trong các đĩa thí nghiệm chứa nấm men

Điều gì tiếp theo?

Phải mất tới 8 năm để Boeke và nhóm của ông công bố nhiễm sắc thể nấm men nhân tạo đầu tiên. Sau thành công đó, dự án đã được đẩy nhanh tiến độ. Tháng 3 năm ngoái, 5 nhiễm sắc thể nấm men tiếp theo đã được mô tả trong một loạt các bài báo đăng trên tạp chí Science.

Boeke cho biết họ đã hoàn thiện hơn 80% của tất cả 16 nhiễm sắc thể. Đây là lượng vật liệu di truyền lớn nhất mà con người có thể tổng hợp và lắp ráp được từ trước đến nay.

Boeke và các đồng nghiệp của ông không chỉ thay thế gen tự nhiên của nấm men bằng phiên bản tổng hợp. Trong DNA của chúng, họ còn đã đặt sẵn các lỗ phân tử, giống như những khoảng không gian trống không nhìn thấy được của trò ảo thuật.

Những cái lỗ này cho phép chúng sắp xếp lại các nhiễm sắc thể của nấm nem như xáo một bộ bài. Kết quả là bằng sinh học phân tử, con người đã đẩy nhanh được tốc độ tiến hóa của nấm men: Hàng triệu chủng nấm men mới với các tính chất sinh học khác nhau có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm, và sau đó được đưa ra phục vụ y học và công nghiệp.

Mitchell dự đoán rằng trong thời gian không xa, dự án Sc2.0 sẽ thay thế tất cả các loài nấm men thông thường, bằng nấm men được tổng hợp từ các phòng thí nghiệm khoa học.

Di sản cuối cùng của dự án Sc2.0 có thể được quyết định bằng việc bộ gen nào sẽ được tổng hợp tiếp theo. Ban đầu, tổ chức GP-write nghĩ rằng họ sẽ ủng hộ việc tạo ra bộ gen người tổng hợp. Bởi nó rất hấp dẫn, dưới góc nhìn là một thách thức lớn của khoa học hiện tại.

Nhưng một số nhà sinh học không đồng ý và chỉ trích mạnh mẽ kế hoạch này. Boeke nhấn mạnh rằng nhóm sẽ "không làm một dự án nhằm tạo ra một con người với bộ gen tổng hợp". Điều đó có nghĩa là sẽ không có một cá thể người nào trong tương lai sinh ra sau khi được tùy chỉnh và thiết kế.

Một kỷ nguyên mới sẽ mở ra với sinh học 2.0

Ngay cả khi gác những tranh cãi về mặt đạo đức sang một bên, tổng hợp bộ gen người đầy đủ - lớn hơn 250 lần so với bộ gen của nấm men - cũng không khả thi lắm với các phương pháp hiện tại. Những nỗ lực để nâng cao công nghệ cũng đang thiếu kinh phí.

Nghiên cứu của Boeke đã được Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ và các viện nghiên cứu, trong đó có các đối tác ở Trung Quốc, tài trợ. Nhưng sáng kiến lớn hơn của GP-write đã không thu hút được quan tâm đủ lớn, ngoài 250.000 USD ban đầu từ công ty sản xuất phần mềm thiết kế Autodesk. Trong so sánh, Dự án Human Genome, trước đây chỉ nhằm đọc bộ gen người, từng được tài trợ hơn 3 tỉ USD.

Giáo sư Church khá thất vọng vì điều này. "Đây [sinh học tổng hợp] là một cuộc cách mạng mà chúng ta không muốn bị tụt hậu lại”, ông nói. "Nếu chính phủ liên bang và 50 tiểu bang không muốn làm điều này, chúng ta khác nào gặt chính những hạt giống mà chúng ta vừa gieo. Chúng ta sẽ bị tụt lại phía sau".

Trong thời gian chờ đợi, công việc trong các phòng thí nghiệm của Boeke vẫn đang tiếp tục. Từng cặp kí tự DNA vẫn đang được tổng hợp. Trên cửa phòng làm việc của Boeke dán đầy những bìa tạp chí và hình ảnh của nhóm nghiên cứu. Giữa đó là một câu trích dẫn lời nói của nhà di truyền học Theodosius Dobzhansky: "Chẳng thứ gì trong sinh học có ý nghĩa, ngoại trừ ánh sáng của sự tiến hóa".

Dù dự án tiếp theo sau Sc2.0 có là gì đi chăng nữa – người ta có thể tổng hợp bộ gen của chuột, hoặc chỉnh sửa lợn để phát triển các cơ quan nội tạng dùng cho người – chúng ta vẫn là những người cầm cương trong cuộc tiến hóa. Nếu thành công, Sc2.0 có thể sẽ là bước phát triển tiếp theo trong mối quan hệ giữa con người và nấm men, sau khi chúng ta làm ra bia từ 8.000 năm trước.

Tham khảo Technologyreview