Cấy bộ gene tổng hợp vào vi khuẩn
Craig Venter theo đuổi giấc mơ của mình trong suốt 15 năm: xây dựng bộ
gene từ đống hợp chất vô cơ và sử dụng chúng để tạo ra sự sống nhân tạo.
Mới đây ông và nhóm nghiên cứu tại Viện Craig Venter nói họ đã thực hiện
được giấc mơ này. Dưới đây là câu chuyện họ tường thuật lại các bước tạo
ra nhiễm sắc thể vi khuẩn nhân tạo và quá trình chuyển thành công nhiễm
sắc thể này thành vi khuẩn sống, để có thể thay thế cho DNA nguyên bản.
Sau khi được cấy vật chất di truyền mới, tế bào nhân tạo của vi khuẩn bắt
đầu nhân lên và tạo ra hàng loạt protein mới.
“Đây là một sự kiện quan trọng trong lịch sử sinh học và công nghệ
sinh học”, Mark Bedau, nhà triết học tại Reed College, Portland, Oregon và
là biên tập viên của tạp chí khoa học Artificial Life (Sự sống nhân tạo)
nói. Bộ gene tổng hợp do nhóm Venter tạo ra khá giống với của bộ gene của
vi khuẩn tự nhiên. Để đi đến thành công, 20 người trong nhóm làm việc đã
phải lao động cật lực trong suốt hơn một thập kỷ, với một khoản tài chính
vào khoảng 40 triệu USD. Mặc dầu vậy, để tạo ra những bộ gene thực sự như
các loại bộ gene sống chuyên tạo ra năng lượng, dược phẩm, và khiến chúng
sống được trong các tế bào hiện vẫn là điều chưa thể thực hiện được.
Xuất phát từ một dự án của Venter và các cộng sự, vi khuẩn tổng hợp
vừa được công bố cho phép xác định các điều kiện tối thiểu cần có cho sự
sống của loài này. Từ đó, các nhà khoa học có thể thêm vào các gene khiến
các vi khuẩn có thể tạo ra các hợp chất hữu ích cho con người. Vào năm
1995, nhóm đã nghiên cứu vi khuẩn Mycoplasma genitalium có khoảng 500 gene
và các nhà nghiên cứu thấy rằng họ có thể loại bỏ 100 gene mà không gây ra
phản ứng gì.
Nhưng để bộ gene tối thiểu có thể tồn tại cần phải tổng hợp nhiễm sắc
thể hoàn chỉnh và làm cho nó có thể hoạt động trong tế bào tiếp nhận bộ
gene này. Hai bước này đã phải thực hiện trong nhiều năm vì chưa có công
nghệ tạo ra và xử lý toàn bộ nhiễm sắc thể. Vào năm 2007, Venter, Smith,
Hutchison và đồng nghiệp cuối cùng đã chỉ ra rằng họ có thể thay thế các
nhiễm sắc thể tự nhiên từ một loại vi khuẩn này sang một loài khác. Vào
năm 2008, họ đã chỉ ra có thể tạo ra nhiễm sắc thể nhân tạo tương thích
với M. genitalium đồng thời chứa các chuỗi DNA có những dấu hiệu giúp cho
việc phân biệt bộ gene tổng hợp và bộ gene tự nhiên.
Nhưng việc kết hợp các bước này không mang lại kết quả, một phần vì M.
genitalium lớn chậm thành thử phải mất vài tuần để hoàn thiện. Nhóm nghiên
cứu quyết định thay bằng vi khuẩn M. mycoides lớn nhanh hơn và bắt đầu tạo
nên bản tổng hợp nhiễm sắc thể của nó. Năm ngoái, họ đã chỉ ra họ có thể
tách nhiễm sắc thể tự nhiên của M. mycoides và đặt nó vào trong vi khuẩn
lên men, làm biến đổi bộ gene của vi khuẩn, sau đó chuyển nó sang M.
capricolum. Bước tiếp theo của nghiên cứu cho thấy bản tổng hợp DNA của vi
khuẩn có thể làm bằng cách tương tự.
Các nhà nghiên cứu bắt đầu xây dựng các nhiễm sắc thể tổng hợp bằng
lựa chọn DNA trong ngân hàng dữ liệu. Họ ghép 10.000 đoạn DNA lại với
nhau, rồi sau đó là 100.000 đoạn, cuối cùng là hoàn thiện bộ gene. Tuy
nhiên, khi họ đưa bộ gene tổng hợp vào M. capricolum, không có điều gì xảy
ra giống như các nhà lập trình máy tính đụng phải các phần mềm giả, sau đó
họ đã thay thế 1 cách có hệ thống các DNA tự nhiên và tổng hợp, và cuối
cùng phát hiện ra lỗi trong bộ gene tổng hợp. Lỗi này đã làm chậm tiến độ
của dự án 3 tháng.
Sau nhiều tháng thay thế nhiều đoạn gene kết hợp không thành công, may
mắn đã đến với nhóm trong tháng vừa qua khi nhà sinh vật tìm thấy một nhóm
màu xanh của vi khuẩn lớn rất nhanh trên đĩa thí nghiệm. (Màu xanh chỉ ra
rằng tế bào đã sử dụng bộ gene mới). Nhóm nghiên cứu khẳng định rằng vi
khuẩn có gene tổng hợp và sau khi kiểm tra cho thấy các vi khuẩn tạo thành
protein đặc trưng của loại M. mycoides.
“Kết quả thật là ấn tượng”, Anthony Forster, nhà sinh học phân tử tại
Đại học Vanderbilt, Tennessee nói. Tuy nhiên ông này và một số người khác
cho rằng Venter vẫn chưa tạo ra được dạng sự sống tổng hợp vì bộ gene đã
được cấy vào tế bào sống.
Theo một số nhà nghiên cứu, kỹ thuật mà nhóm Venter sử dụng rất khó để các
nhóm khủng bố sinh học sử dụng. “Tuy nhiên, thí nghiệm này sẽ làm thay đổi
tưởng tượng của chúng ta về cách sự sống được tạo ra lâu nay”, Paul
Rabinow nhà nhân chủng học tại Đại học California, Berkeley nói. Theo
Kenneth Oye, nhà khoa học xã hội tại MIT, thành công của Craig Venter như
phát súng bắn vào màn đêm, mang tới những lợi ích và cả những rủi ro tiềm
ẩn trong tương lai.
“Sự sống nhân tạo gần như trong tầm tay của con người, các cơ quan hữu
trách phải thiết lập khung pháp lý nhanh chóng vì không loại trừ khả năng
sử dụng sai mục đích các kết quả nghiên cứu”, Oye nói thêm.
Venter nói rằng Viện nghiên cứu mang tên ông đã nộp đơn xin cấp một
vài bằng sáng chế thuộc quyền sở hữu của công ty Synthetic Genomics, đơn
vị đã cung cấp kinh phí cho dự án. Cơ quan giám sát về công nghệ ETC tại
Ottawa cho rằng những việc làm này sẽ dẫn tới sự độc quyền trong việc sản
xuất ra sự sống nhân tạo. Nhưng một số nhà nghiên cứu khác thì cho rằng,
Synthenic Genomics rất khó trở thành Microsoft trong lĩnh vực sinh học
tổng hợp. Tuy nhiên, có một điều chắc chắn là một vài sáng tạo thú vị sẽ
bắt nguồn từ phòng thí nghiệm của Viện Venter.
Craig Venter – người say mê giải mã
Craig Venter, sinh năm 1946, không thuộc tuýp học trò chỉ biết có học
tập. Sau khi bỏ ngang trung học vào những năm 1960, ông dành thời gian
lướt ván ở miền nam California trước khi bị tuyển vào quân đội. Hy vọng
được tập luyện để tham gia vào Olympic trong đội hình bơi của hải quân tan
thành mây khói khi Tổng thống Lyndon B. Johnson quyết định tiến hành chiến
tranh leo thang tại Việt Nam. Venter bị điều động sang Việt Nam, và trải
qua 6 tháng khó quên tại Đà Nẵng, nơi ông từng phải thức trắng đêm để khâu
vết thương cho những người bị thương tại một bệnh viện của Đà Nẵng trong
đợt tấn công Tết Mậu Thân năm 1968.
Làm việc trong môi trường gần cái chết trong giai đoạn chiến tranh
Việt Nam đã làm cho Venter mong muốn được học về Y học. Venter đăng ký học
hóa sinh và hoàn thành chương trình tiến sĩ về sinh lý học và dược học
năm 1975 tại Đại học California, San Diego.
Sau thời gian làm giáo sư tại Đại học New York, Buffalo, Venter thành
lập nhóm nghiên cứu của mình vào năm 1984 tại Viện Y tế quốc gia Hoa Kỳ
(NIH). Ông đã phát minh ra kỹ thuật giải mã gene nhanh - kỹ thuật ESTs,
được phát triển ngay chính phòng thí nghiệm của mình tại NIH và muốn xin
cấp bằng sáng chế. Nhiều nhà khoa học nổi tiếng, bao gồm cả giám đốc
chương trình gene người vào thời kỳ đó là James Watson, đã phản đối ý định
đăng ký sáng chế đối với kỹ thuật này vì cho rằng nó sẽ làm tổn hại mối
quan hệ hợp tác giữa các nhà nghiên cứu.
Venter rời NIH vào năm 1992 vì cảm thấy mình bị đối xử bất công. Ông
không giấu sự tức giận vì những người trong Viện đã không thừa nhận đề
xuất phương án giải mã gene vi khuẩn H. influenzae của ông. Sau khi không
xin được tài trợ của NIH cho dự án của mình, Venter từ chối một vài lời
mời từ các công ty công nghệ sinh học trước khi chấp nhận 70 triệu USD tài
trợ từ Tập đoàn HealthCare Investment để thành lập Viện nghiên cứu gene
(The Institute for Genomic Research), nơi ông có thể tiếp tục công việc
giải mã gene của mình.
Năm 1995, Venter công bố đoạn gene đầu tiên đầy đủ của một sinh vật
sống, vi khuẩn Haemophilus influenzae, loại vi khuẩn gây ra bệnh viêm màng
não và điếc. Tiếp đó, năm 1998 ông nhận được toàn bộ khoản tiền tài trợ tư
trị giá 300 triệu USD cho dự án giải mã gần 3 tỷ đơn vị hóa học tạo nên bộ
gene người. Trong những năm 2007 và 2008, Venter liên tục xuất hiện trên
các tạp chí lớn với những công bố mới về giải mã gene. Ông được tạp chí
Time bình chọn là 1 trong 100 người có ảnh hưởng nhất thế giới.
Ngọc Tú dịch (Science, Scientific American)