Lần đầu tiên tạo ra gen vi khuẩn - Cấu trúc hoá học lớn nhất được tổng hợp trong phòng thí nghiệm

Đội nghiên cứu gồm 17 người thuộc Viện J. Craig Venter (JCVI) vừa mới tạo ra ADN nhân tạo lớn nhất từ trước đến nay bằng cách tổng hợp và lắp ráp 582.970 cặp bazơ của một loại vi khuẩn có tên Mycoplasma genitalium JCVI- 1.0. Nghiên cứu của họ được đăng tải trực tuyến ngày 24/1/2008 trên tờ Science do tiến sĩ Dan Gibson viết. Đây là bước tiến quan trọng thứ hai để tiếp cận mục tiêu của nhóm là tạo ra một cơ quan nhân tạo hoàn chỉnh. Tiếp theo, nhóm sẽ tiếp tục với công việc cho ra đời một tế bào vi khuẩn sống dựa hoàn toàn trên hệ gen nhân tạo.

Nhóm nghiên cứu đã có được kỳ công bằng cách chế tạo các đoạn ADN trên cơ sở hoá học trong phòng thí nghiệm và ứng dụng những phương pháp mới cho quá trình tổng hợp và sản xuất của các đoạn ADN. Sau nhiều năm làm việc chỉ dựa hoàn toàn trên phương pháp tổng hợp hoá học, nhóm đã phát hiện họ có thể sử dụng quá trình tái tổ hợp tương đồng (quá trình tế bào sử dụng để sửa chữa những hư tổn trên nhiễm sắc thể) có trong men Saccharomyces cerevisiae để nhanh chóng tạo nên một nhiễm sắc thể vi khuẩn hoàn thiện từ quá trình lắp ráp trên từng đoạn nhỏ.

Tiến sĩ J. Craig Venter, chủ tịch đồng thời là người sáng lập JCVI, cho biết: “Thành công về công nghệ xuất sắc này chỉ có thể đạt được nhờ nhóm nghiên cứu JCVI tài năng có một không hai. Ham Smith, Clyde Hutchison, Dan Gibson, Gwyn Benders và những thành viên khác trong nhóm nghiên cứu đã cống hiến những năm làm việc cuối cùng của họ để tạo ra và hoàn thiện những phương pháp, kỹ thuật mới mà chúng tôi tin rằng những phương pháp đó sẽ được ứng dụng rộng rãi để nâng lĩnh vực gen nhân tạo lên một tầm cao mới”.

Thành phần tạo nên ADN - gồm có adenine (A), guanine (G), xitozin (X) và tiamin (T) – không phải là những chất hoá học dễ dàng tổng hợp nhân tạo để tạo nên nhiễm sắc thể. Mạch ADN càng dài thì càng giòn, dễ vỡ; do đó thao tác với nó càng trở nên khó khăn hơn. Trước khi đạt được thành tựu hôm nay, đoạn ADN tổng hợp dài nhất chỉ gồm có 32.000 cặp bazơ. Bạn có thể tưởng tượng được tạo nên một phiên bản nhân tạo đoạn gen của vi khuẩn M. genitalium có chứa trên 580.000 cặp bazơ đầy khó khăn và thử thách đến dường nào. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu JCVI cũng tinh thông nhiều lĩnh vực kỹ thuật và có hiểu biết sinh học sâu sắc về một số loài vi khuẩn Mycoplasma.

Thạc sĩ Hamilton Smith, tác giả chính của báo cáo nghiên cứu, cho biết: “Một vài năm trước đây khi chúng tôi mới bắt tay vào nghiên cứu, chúng tôi đã biết rằng công việc sẽ thực sự khó khăn bởi chúng tôi đang dấn chân vào một lãnh địa vô danh. Nhưng nhờ tận tuỵ, giờ chúng tôi đã chứng minh được xây dựng hệ gen là kỹ thuật khả thi, có thể từng bước đạt được. Trên cở sở đó, chúng ta sẽ phát triển những ứng dụng quan trọng ví dụ như nhiên liệu sinh học”.

Thạc sĩ Hamilton Smith (Ảnh: Jcvi.org)

Phương pháp tạo ra vi khuẩn M. genitalium nhân tạo

Quá trình tổng hợp và lắp ghép phiên bản nhân tạo nhiễm sắc thể vi khuẩn M. genitalium bắt đầu từ công việc sắp xếp lại trình tự gen nguyên bản của vi khuẩn M. genitalium để đảm bảo rằng nhóm nghiên cứu tiến hành từ một trình tự gen không mắc lỗi. Sau khi có được phiên bản gen đúng, nhóm tạo ra những đoạn ADN được tổng hợp nhằm xây dựng 101 nhóm gen mã hoá bao gồm từ 5000 đến 7000 cặp bazơ. Để phân biệt gen nhân tạo và gen ban đầu, nhóm nghiên cứu tạo các thuỷ ấn trên gen nhân tạo. Đó là những chuỗi gen thêm vào hoặc thay thế mã hoá những thông tin không tồn tại trong tự nhiên. Một số biến đổi khác nhóm tiến hành với gen nhân tạo bao gồm bẻ gãy gen nhằm ngăn chặn tính dễ lây nhiễm. Nhóm nghiên cứu JCVI đã hợp tác với công ty tổng hợp ADN Blue Heron Technology, AND 2.0 và GENEART để tạo nên các đoạn mã hoá.

Tiếp đó, các nhà nghiên cứu thiết lập một quá trình lắp ráp gồm 5 bước tập trung các nhóm gen với nhau trong các đoạn lắp ráp nhỏ tạo nên những đoạn lớn hơn. Cuối cùng những đoạn này kết hợp với nhau làm thành hệ gen nhân tạo hoàn chỉnh của vi khuẩn M. genitalium.

Ở bước đầu tiên, cứ 4 nhóm gen được kết hợp với nhau để tạo 25 đoạn lắp ráp nhỏ mỗi đoạn gồm 24.000 cặp bazơ (còn gọi là đoạn 24kb). Các đoạn 24kb được nhân vô tính trong vi khuẩn Escherichia coli tạo ra đoạn ADN đầy đủ cho các bước tiếp theo đồng thời để xác nhận tính hợp lệ của trình tự gen.

Bước thứ hai, các nhà nghiên cứu kết hợp 3 đoạn 24kb với nhau tạo thành 8 khối lắp ráp, mỗi khối gồm 72.000 cặp bazơ có độ dài bằng 1/8 gen hoàn chỉnh. Các khối gen này lại được nhân vô tính trong vi khuẩn E. coli cho quá trình sản xuất và thiết lập trình tự ADN.

Bước ba, hai khối gen 72.000 cặp bazơ nói trên gắn kết với nhau tạo thành đoạn lớn hơn gồm 144.000 cặp bazơ (có độ dài bằng 1/4 gen hoàn chỉnh). Ở bước này, nhóm nghiên cứu không thể nhân vô tính được một nửa hệ gen trong vi khuẩn E. coli nên họ đã làm thí nghiệm với men và phát hiện nó chấp nhận các phân tử ADN lớn có nguồn gốc từ bên ngoài. Do đó, nhóm có thể lắp ghép các đoạn gen với nhau bằng phương pháp tái tổ hợp tương đồng. Quá trình này được sử dụng để lắp ráp những nhóm gen cuối cùng, từ đoạn có chiều dài bằng 1/4 gen hoàn chỉnh thành một gen cuối cùng gồm hơn 580.000 cặp bazơ. Nhiễm sắc thể hoàn chỉnh lại một lần nữa được sắp xếp theo trình tự nhằm xác nhận cấu trúc hoá học này là hoàn thiện và chính xác.

Đoạn gen nhân tạo của vi khuẩn M. genitalium có trọng lượng phân tử khoảng 360.110 kilodalton (kDa). Nếu in cấu trúc gen nhân tạo của vi khuẩn M. genitalium trên giấy với phông chữ 10 thì nó sẽ trải dài đến 147 trang.

Hình ảnh vi mô của hệ gen nhân tạo Mycoplasma genitalium qua 1~0.6 giây (Ảnh: Jcvi.org)

Dan Gibson phát biểu: “Đây quả thực là một tiến bộ thú vị đối với đội chúng tôi và cho cả lĩnh vực này. Tuy nhiên chúng tôi vẫn tiếp tục nghiên cứu để đạt được mục tiêu cơ bản là ghép nhiễm sắc thể nhân tạo vào tế bào, tiến tới tạo ra một cơ quan nhân tạo đầu tiên”.

Nghiên cứu chế tạo vi khuẩn M. genitalium JCVI- 1.0 nhân tạo được cơ quan Synthetic Genomics, Inc. tài trợ.

Cơ sở/những mốc quan trọng trong nghiên cứu gen nhân tạo của nhóm nghiên cứu JCVI

Gibson đã trình bày nghiên cứu dựa trên cơ sở nghiên cứu của tiến sĩ Venter và đồng nghiệp từ giữa thập kỉ 90 sau khi họ sắp xếp hệ gen của vi khuẩn M. genitalim và bắt đầu tiến hành một số dự án nhỏ về gen di truyền. Lĩnh vực nghiên cứu tìm hiểu về những thành phần di truyền tối thiếu cần thiết để duy trì sự sống tiến hành trên vi khuẩn M. genitalium do loại vi khuẩn này có hệ gen nhỏ nhất có thể phát triển trong môi trường nuôi cấy thuần khiết. Báo cáo nghiên cứu của tiến sĩ Venter đã được phát hành trên tờ Science năm 1995.

Năm 2003, tiến sĩ Venter, Smith và Hutchison đã đạt được những tiến bộ quan trọng đầu tiên trong việc phát triển gen nhân tạo khi họ tạo được một sinh vật ăn vi khuẩn có 5.386 cặp bazơ Φ X174 (phi X). Họ cũng sử dụng các đoạn gen đơn và ngắn được tổng hợp nhân tạo, ADN thương phẩm (còn gọi là oligonucleotide) và sử dụng phương pháp lắp ráp phản ứng dây chuyền polymeraza (PCR) hay còn được gọi là chu trình lắp ráp polymeraza (PCA) nhằm chế tạo gen phi X. Họ đã tạo được thành công gen phi X nhân tạo chỉ trong 14 ngày.

Tiến sĩ Gwynedd A. Benders (Ảnh: Jcvi.org)

Tháng 6 năm 2007, một bước tiến nữa lại đạt được khi các nhà nghiên cứu JCVI do tiến sĩ Carole Lartique dẫn đầu tuyên bố thành công trong phương pháp cấy ghép gen; cho phép họ biến đổi dạng vi khuẩn này thành một dạng vi khuẩn khác nhờ nhiễm sắc thể được cấy ghép. Thành công của họ được phát hành trên tờ Science, và đã chỉ ra các phương pháp, kỹ thuật được sử dụng để biến đổi từ loài vi khuẩn này (ví dụ như loài Mycoplasma capricolum) thành loài vi khuẩn khác (Mycoplasma mycoides Large Colony chẳng hạn) bằng cách thay thế hệ gen loài này bằng hệ gen của loài kia.

Cấy ghép gen là bước tiến nền móng thiết yếu đầu tiên trong lĩnh vực gen nhân tạo vì nó là kỹ thuật chìa khoá nhờ đó các nhiễm sắc thể tổng hợp hoá học có thể hoạt động được trong tế bào sống. Thành công của gen vi khuẩn M. genitalium nhân tạo hôm nay là bước tiến thứ hai dẫn đường cho những thí nghiệm cấy ghép một nhiễm sắc thể vi khuẩn nhân tạo hoàn chỉnh vào một sinh vật sống về sau, rồi tiến tới là cả một tế bào nhân tạo.

Tiến sĩ Dan Gibson (Ảnh: Jcvi.org)

Vấn đề đạo đức

Ngay từ những ngày đầu tiên tìm hiểu và nghiên cứu gen nhân tạo, tiến sĩ Venter và đồng sự đã rất quan tâm đến những trở ngại về mặt xã hội xung quanh nghiên cứu của mình. Năm 1995, trong khi nhóm của ông đang tiến hành tìm hiểu về hệ gen vi khuẩn thì đã gặp phải những lời chỉ trích về vấn đề đạo đức xuất phát từ một nhóm các chuyên gia thuộc Đại học Pennsylvania (Cho et al, tờ Science tháng 12/1999: Vol 286, số 5447, trang 2087 – 2090). Những cuộc bàn luận kỹ lưỡng độc lập của các nhóm về đạo đức sinh học đã giúp đưa ra một quyết định thống nhất rằng không có một lý do đạo đức rõ ràng nào buộc nghiên cứu của Venter phải dừng lại, nhưng các nhà khoa học tham gia vào nghiên cứu phải để công chúng đưa ra ý kiến về công việc của họ.

Tiến sĩ Venter và nhóm nghiên cứu tại JCVI tiếp tục công việc với các chuyên gia đạo đức sinh học, ngoài ra còn có các nhóm chính trị, các chuyên gia lập pháp, và công chúng luôn ủng hộ những cuộc thảo luận và kiến thức về ý nghĩa xã hội của nghiên cứu nói riêng và lĩnh vực gen nhân tạo nói chung. Do đó, nhóm chính trị của JCVI cùng với Trung tâm chiến lược và nghiên cứu quốc tế (CSIS) và Viện công nghệ Massachusetts được quỹ Alfred P. Sloan tài trợ cho nghiên cứu kéo dài 20 tháng về những hiểm họa cũng như lợi ích của việc thúc đẩy nền công nghiệp này. Đồng thời quỹ cũng tài trợ cho nghiên cứu những biện pháp phòng chống lạm dụng công nghệ, trong đó bao gồm cả khủng bố sinh học. Sau một số hội thảo và phiên họp công khai, nhóm nghiên cứu đã trình một bản báo cáo vào tháng 10/2007 nêu rõ các quyền tự chọn trong lĩnh vực cũng như các nhà nghiên cứu tham gia.