DNA tổng hợp có vẻ giống như chuyện khoa học viễn tưởng nhưng nó đang nhanh chóng trở thành hiện thực. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một tế bào nấm men chứa hơn 50% bộ gen nhân tạo, bao gồm cả nhiễm sắc thể nhân tạo hoàn toàn đầu tiên trên thế giới.
Các nhà khoa học trước đây đã tạo ra bộ gen nhân tạo của vi khuẩn và virus, nhưng bước tiếp theo là sinh vật nhân chuẩn, một tế bào trong đó toàn bộ bộ gen nằm trong nhân có màng bao bọc. Nấm men có thể là sự lựa chọn tự nhiên cho việc này, chẳng hạn như men làm bánh (Men rượu) có bộ gen nhỏ gọn chỉ có 16 nhiễm sắc thể và có khả năng bẩm sinh liên kết DNA với nhau.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tham gia vào dự án Bộ gen nấm men tổng hợp (Sc2.0) muốn làm điều gì đó khác biệt một chút ngoài việc chỉ tổng hợp DNA bằng cách cung cấp cho nấm men một bộ gen “nhà thiết kế”. Jeff Buckey, tác giả chính và người đứng đầu Sc2.0 cho biết trong bài báo: “Chúng tôi quyết định điều quan trọng là phải tạo ra thứ gì đó được sửa đổi rất chặt chẽ theo thiết kế của tự nhiên”. tuyên bố. “Mục tiêu bao trùm của chúng tôi là tạo ra một loại men có thể dạy chúng tôi sinh học mới.”
Tạo bộ gen nhân tạo
Đầu tiên, nhóm đã loại bỏ cái gọi là DNA “rác” khỏi bộ gen và thay thế nó bằng các đoạn DNA mới để giúp họ phân biệt giữa gen tổng hợp và gen gốc, sau đó xáo trộn lại thứ tự gen. Ngoài ra còn có một loại bỏ quan trọng khác được thực hiện – gen tRNA.
Trong khi các protein mà chúng mã hóa đóng vai trò quan trọng bên trong tế bào thì gen tRNA cũng làm cho bộ gen của nấm men không ổn định. Trong một bước tiến mang tính cách mạng, các nhà nghiên cứu đã loại bỏ chúng và chuyển chúng sang một “nhiễm sắc thể mới” hoàn toàn mới dựa trên gen t-RNA. Đồng tác giả Patrick Yezi Cai cho biết: “Nhiễm sắc thể tRNA mới là nhiễm sắc thể nhân tạo hoàn toàn đầu tiên trên thế giới”. “Trong tự nhiên không có thứ gì như thế này.”
Cùng với nhiễm sắc thể mới, các nhà nghiên cứu đã tập hợp từng nhiễm sắc thể một cách độc lập trước khi tạo ra 16 chủng nấm men nhân tạo một phần, mỗi chủng chứa 15 nhiễm sắc thể bình thường và một nhiễm sắc thể nhân tạo.
Đặt các mảnh lại với nhau
Sau đó đến phần khó khăn: tập hợp tất cả các nhiễm sắc thể nhân tạo vào một tế bào nấm men duy nhất. Điều này liên quan đến sự kết hợp giữa kỹ thuật di truyền cổ điển – lai tạo – và một số phương pháp hoàn toàn mới. Quá trình lai tạo diễn ra chậm và trong khi nấm men thu được chứa hơn 30% bộ gen tổng hợp, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm nhiều hơn nữa.
Sau khi sử dụng phương pháp mới gọi là thay thế nhiễm sắc thể và công nghệ tương tự CRISPR/Cas9 để sửa chữa các khiếm khuyết di truyền, họ đã có thể thu được một tế bào nấm men duy nhất chứa hơn 50% DNA tổng hợp. Việc điều chỉnh bộ gen của nó có thể khiến nấm men phát triển hoặc trông bất thường, nhưng nhờ sản xuất cẩn thận, loại nấm men này vẫn tồn tại và sinh sản tương tự như nấm men hoang dã.
Kay cho biết: “Nhóm nghiên cứu hiện đã viết lại hệ điều hành của nấm men đang chớm nở, mở ra một kỷ nguyên mới của kỹ thuật sinh học – chuyển từ việc mày mò một số ít gen sang thiết kế và xây dựng toàn bộ bộ gen”.
Bước tiếp theo
Nấm men từ lâu đã là nguyên liệu chủ yếu trong sản xuất thực phẩm và đồ uống – đó là lý do chúng ta có bánh mì và bia ngon, mọi người đều nói “Cảm ơn men” – và trong khoa học, vì sản xuất hóa chất và như một sinh vật mẫu. Ben Blunt, một trong những nhà khoa học hàng đầu, đã giải thích trong bài báo của mình rằng bằng cách sử dụng DNA tổng hợp, chúng ta có thể đạt được nhiều bước tiến trong những lĩnh vực này. tuyên bố.
“Nhiễm sắc thể nhân tạo là những thành tựu kỹ thuật to lớn, nhưng chúng cũng sẽ mở ra nhiều khả năng mới cho cách chúng ta nghiên cứu và ứng dụng sinh học. Điều này có thể bao gồm từ việc tạo ra các chủng vi sinh vật mới để sản xuất sinh học xanh hơn, đến giúp chúng ta hiểu và kiểm soát bệnh tật.” .”
Bước tiếp theo sẽ là kết hợp tất cả 16 nhiễm sắc thể nhân tạo vào một tế bào nấm men duy nhất. Điều này không dễ dàng, nhưng các nhà nghiên cứu rất lạc quan. Bucky nói: “Chúng ta hiện còn lâu mới đạt được mục tiêu có tất cả 16 nhiễm sắc thể trong một tế bào.
“Tôi muốn gọi đây là sự kết thúc của sự khởi đầu, không phải sự bắt đầu của sự kết thúc, bởi vì khi đó chúng ta thực sự có thể bắt đầu trộn lẫn bề mặt đó và tạo ra loại men có thể làm được những điều mà chúng ta chưa từng thấy trước đây.”
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí tế bào.