Nhà khoa học này muốn "chơi xổ số" với hàng nghìn tỷ DNA để tìm ra loại kháng sinh mới

Một ý tưởng khoa học đột phá xuất hiện trong đầu Giáo sư Kevin M. Folta, vào lúc ông đang cắt cỏ. Nếu cây cối chẳng bao giờ lớn, ông sẽ không phải làm công việc mệt nhọc này.

Nhưng làm thế nào để tạo ra được loại cỏ chậm lớn? Bạn có thể khai thác các lỗ hổng di truyền của thực vật, bằng cách tiêm vào chúng một hỗn hợp hàng nghìn tỷ DNA ngẫu nhiên. Trong hàng tỷ DNA đó, thảo nào cũng có một DNA khiến những cây cỏ lớn chậm lại. Chúng ta chỉ việc sàng lọc và tìm ra nó.

Giáo sư Folta hiện là trưởng khoa Khoa học cây trồng tại Đại học Florida. Với 30 năm kinh nghiệm, nghiên cứu trong lĩnh vực sinh lý học thực vật và sinh học phân tử, ông cho biết cách tiếp cận như chơi sổ xố này không chỉ được áp dụng với thực vật.

Chúng ta còn có thể dùng nó trên vi khuẩn hay động vật để tìm ra kháng sinh mới hoặc các phương pháp chữa bệnh cho con người. Dưới đây là câu chuyện mà Giáo sư Folta chia sẻ:

Nhà khoa học này muốn "chơi xổ số" với hàng nghìn tỷ DNA ngẫu nhiên để tìm ra loại kháng sinh mới

Chiếc iPod hết pin giữa lúc tôi đang cắt cỏ. Thay vì thưởng thức những giai điệu âm nhạc, não bộ tôi suy nghĩ lan man về các phân tử. Một vài lần cắt cỏ tôi đã cân nhắc tới câu hỏi lớn nhất trong sự nghiệp khoa học của mình:

Liệu chúng ta có thể tiêm ngẫu nhiên vào sinh vật các nhân tố hóa học, để khám phá ra các loại thuốc mới hay các hợp chất hữu ích cho nông nghiệp?

Kiến thức chuyên môn của tôi xoay quanh lĩnh vực sinh học phân tử - nghiên cứu về DNA, gen, cách mà những bản thiết kế của sinh vật được giải mã rồi lắp ráp thành sự sống. Các môn học đòi hỏi tôi phải biết những mã phân tử được “decode” như thế nào, khi chúng biến thành những chức năng sinh học.

Không phải chỉ riêng tôi, bất cứ ai trong lĩnh vực này đều từng mơ về các phân tử đang nhảy múa. Chúng tương tác với nhau và thực hiện chức năng biến thông tin lưu trữ trong DNA thành thức ăn, thành cây cối xung quanh ta và thành cả những thành viên trong gia đình tôi và bạn.

Ngày nào cũng vậy, các nhà nghiên cứu sinh học phân tử ngồi trong phòng thí nghiệm và di chuyển gen hết lượt này đến lượt khác. Những thao tác đơn giản. Không có nghĩa làm điều này sẽ tạo ra được thứ gì mới, nhưng chuyển gen được sử dụng như một công cụ nghiên cứu cho phép chúng ta hiểu được từng gen cụ thể hoạt động như thế nào.

Một ví dụ điển hình là gen NPR1, ban đầu chỉ có trong cây Arabidopsis. Đó là một gen phòng vệ, giúp Arabidopsis chống lại bệnh tật. Thế nhưng bạn chỉ cần lấy NPR1 ra và chuyển vào hệ gen của bất kì cây nào khác, chúng cũng sẽ tăng cường được khả năng kháng bệnh.

Các thao tác di truyền như vậy bây giờ đã trở nên cực kỳ phổ biến. Chúng ta làm điều này hằng ngày với thực vật, vi khuẩn và trên một số loài động vật.

Nhưng trong một lần cắt cỏ, tôi đã chợt nghĩ ra một ý tưởng – thay vì chèn vào cây trồng hoặc vi khuẩn những thông tin DNA thú vị mà chúng ta đã biết, sẽ thế nào nếu chúng ta đưa vào chúng một mớ hỗn độn các mã DNA ngẫu nhiên?

Liệu chúng ta có thể xác định những thông tin di truyền ngẫu nhiên nào đã tạo ra từng đoạn nhỏ protein được gọi là peptide, thứ đóng vai trò làm thay đổi sinh lý cũng như sự phát triển của sinh vật?

Thông thường, DNA mã hóa một bản hướng dẫn điều phối thứ tự của các axit amin, được ví như những viên gạch xây dựng lên protein. Mỗi axit amin có các tính chất hóa học cụ thể. Khi kết hợp với nhau thành chuỗi chúng trở thành peptide, sau đó thành protein.

Các protein giúp tạo thành cấu trúc tế bào hay đảm nhiệm chức năng sinh học, phụ thuộc vào thành phần và thứ tự axit amin, những gì đã cấu tạo nên nó.

Giả thuyết của tôi là ngay cả một đoạn ngắn DNA trong mớ hỗn độn cũng có thể phát sinh ra một chuỗi axit amin mới. Đó có thể là một cụm nhỏ các phân tử hóa học rời rạc, chưa từng tồn tại trước đây trên hành tinh.

Có thể phần lớn các cụm phân tử này chẳng có ý nghĩa gì cả, chúng trở thành rác tế bào. Nhưng cũng có thể trong một dịp hiếm hoi nào đó, chúng sẽ tạo nên một thứ hoàn toàn mới mẻ mà chúng ta mong muốn.

DNA mã hóa axit amin, tạo nên peptide và protein, sau đó thể hiện tính trạng của sinh vật

Để kiểm tra giả thuyết này, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã dùng những khuôn mẫu không hệ thống để tổng hợp hàng nghìn tỷ đoạn DNA ngẫu nhiên, sử dụng một kỹ thuật nhân bản DNA đơn giản. Mỗi đoạn DNA chứa những bản hướng dẫn di truyền cho thực vật bắt đầu và sản xuất một peptide.

Sau đó, chúng tôi sử dụng một kỹ thuật chỉnh sửa gen cũng cơ bản, chuyển những đoạn DNA này vào hàng ngàn cây Arabidopsis thaliana. Công việc cuối cùng là ngồi lại để xem có chuyện gì xảy ra hay không, khi cây biến những thông tin di truyền ngẫu nhiên thành các peptide ngẫu nhiên.

Chúng tôi chờ đợi những cấu trúc protein đặc biệt có thể tham gia vào các phản ứng hóa sinh. Và điều đó sẽ được thể hiện trên tính trạng của cây, thứ mắt thường có thể nhìn thấy được.

Khi những cây Arabidopsis thaliana trong thí nghiệm lớn dần, chúng đã thực sự khiến mọi người kinh ngạc.

Một số cây ra hoa sớm. Một số cây khác thì nhỏ và còi cọc. Một số khác lại ra lá to hơn. Một số xuất hiện sắc tím. Có một số cây Arabidopsis thaliana đã phát triển rất ổn đến một giai đoạn rồi tự nhiên chết.

Sau đó, chúng tôi đã tìm lại những chuỗi DNA ngẫu nhiên cụ thể mà mình thêm vào từng cây. Điều nãy cũng chẳng có gì khó với một nhà sinh học phân tử. Chúng tôi chuyển từng DNA nào trở lại hàng loạt cây mới khác.

Kết quả là hầu hết các DNA ngẫu nhiên đã tạo ra thay đổi đồng loạt trong thế hệ cây trồng mới. Hiệu ứng chứng tỏ chính các thông tin di truyền này là khởi nguồn của sự biến đổi.

Những cây Arabidopsis thaliana trong thí nghiệm đã thể hiện những tính trạng đặc biệt sau khi được tiêm DNA ngẫu nhiên

Những thông tin di truyền ngẫu nhiên đang làm gì trong tế bào? Chúng hướng dẫn thực vật tạo ra các phân tử ngẫu nhiên nhỏ bé khác, thứ mà có thể tình cờ ảnh hưởng đến một quá trình cụ thể trong thực vật.

Những phân tử có thể ràng buộc một chất dinh dưỡng thiết yếu. Chúng có thể ức chế một enzyme then chốt. Chúng cũng có thể khiến cây ra hoa hoặc bảo vệ nó khỏi bị đóng băng vào mùa đông.

Không ai biết chính xác chúng sẽ làm được gì, cho đến khi những cây trong thí nghiệm thể hiện từng tính trạng một ra bên ngoài. Những protein mới đã tạo ra được hình mẫu tốt để chúng ta có thể thiết kế các phân tử hữu ích, với tính chất hóa học tương tự nhưng bền hơn trong tế bào.

Mục tiêu của chúng tôi là sản xuất được ra một hợp chất, có thể áp dụng cho cây trồng để thay đổi quá trình phát triển và tính trạng của chúng, chẳng hạn như ngăn chặn sự phát triển của cỏ dại.

Quá trình sẽ giống như cho một con khỉ điều khiển một cỗ máy phức tạp. Phần lớn thời gian, con khỉ đùa giỡn và chẳng ảnh hưởng đến điều gì. Nhưng nếu cứ để con khỉ chơi với cỗ máy trong thời gian dài, rồi sẽ đến một lần nó làm tuột một bánh răng ở đâu đó khiến cỗ máy ngừng lại.

Đôi khi quá trình có thể làm ngắn mạch một quy trình lãng phí, tắt nó lại khiến cỗ máy hoạt động hiệu quả hơn. Những peptide chính là những con khỉ phân tử.

Một số peptide rõ ràng đã có khả năng can thiệp vào một quá trình sinh học quan trọng, bởi nó đã giết chết cây thí nghiệm. Những phát hiện này cho thấy cây trồng rõ ràng cũng có những lỗ hổng chết người, nơi các nhà nghiên cứu có thể khai thác để phát triển các chất diệt cỏ thân thiện với môi trường mà không độc hại chẳng hạn.

Nền nông nghiệp của chúng ta hiện nay đang phụ thuộc vào một số chất hóa học, nhiên liệu hóa thạch hay thậm chí là sức lao động của con người để kiểm soát cỏ dại. Mục đích cuối cùng vẫn là ngăn không cho chúng tranh giành chất dinh dưỡng và tài nguyên với cây trồng.

Như vậy, chỉ cần kiểm soát cỏ tốt, chúng ta đã làm tăng giá trị của phân bón, nước và ánh sáng mặt trời. Các phương pháp diệt cỏ thế hệ mới sẽ rất có giá trị cho nền nông nghiệp hiện tại, khi dân số ngày càng tăng và chúng ta ngày càng cần nhiều thực phẩm hơn.

Chúng ta đang tiêu tốn chất hóa học, nhiên liệu hóa thạch và sức lao động của con người để kiểm soát cỏ dại

Nhưng sẽ không chỉ dừng lại ở thực vật, chúng tôi đang sử dụng cách tiếp cận tương tự để đi tìm thế hệ kháng sinh tiếp theo. Mục tiêu là xác định được những thông tin di truyền ngẫu nhiên đã ảnh hưởng đến một loại vi khuẩn khả nghi.

Ví dụ, chúng tôi có thể nhắm đến S. aureus, một loại vi khuẩn kháng kháng sinh nguy hiểm. Chúng tôi đang tìm kiếm các phân tử mới có thể tiêu diệt các vi khuẩn này, trong khi không gây ảnh hưởng đến các vi khuẩn khác được cho là có lợi. Những thí nghiệm này đang được tiến hành ngay trong phòng thí nghiệm của chúng tôi.

Vậy là những điều ngẫu nhiên có khả năng sẽ giúp chúng ta tìm ra các lỗ hổng, cũng như tiềm năng chưa được khai phá trong thực vật, vi khuẩn và cả các sinh vật khác. Có thể công việc này sẽ mở ra cả những ứng dụng giúp giải quyết bệnh tật cho con người.

Có một tương lai thú vị khi chúng ta khai thác được các bộ sưu tập lớn các phân tử mới, và nghiên cứu cách chúng kết hợp với quá trình sinh học để tạo ra kết quả quan trọng mà chúng ta mong muốn.

Trong công việc này, chúng tôi đã phát hiện ra một số phân tử có tác dụng kìm hãm sự phát triển của cây cối. Các sản phẩm tương lai có thể được dùng để tạo ra loại cỏ không lớn. Thế nhưng, trong khi những người khác có thể thấy sản phẩm này hữu ích, tôi sẽ từ chối sử dụng nó. Bởi với tôi, cắt cỏ giúp những ý tưởng tuyệt vời xuất hiện.

Tham khảo Theconversation