Một bước gần hơn tới sự sống nhân tạo

Các nhà nghiên cứu tại Học viện J. Craig Venter (JCVI), một tổ chức nghiên cứu gen phi lợi nhuận, vừa công bố những kết quả mô tả phương pháp trong đó toàn bộ hệ gen của vi khuẩn Mycoplasma mycoides được sao chép trong một tế bào men bằng cách thêm vào chuỗi plasmid của men vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Các nhà nghiên cứu đã biến đổi chuỗi này trong tế bào men sử dụng hệ thống gen của men. Nhiễm sắc thể của vi khuẩn đã được biến đổi sau đó tiếp tục được cô lập khỏi men và cấy vào một loài vi khuẩn họ hàng, Mycoplasma capricolum, để tạo ra một dạng tế bào M. mycoides mới.

Đây là lần đầu tiên hệ gen được chuyển giữa các nhánh khác nhau của sự sống – từ một prokaryote sang eukaryote rồi quay trở lại prokaryote. Nghiên cứu được công bố trên tạp híc Science ngày 21 tháng 8.

Hamilton Smith, một trong những người chỉ đạo nhóm JCVI, cho biết: “Tôi tin rằng nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc hoàn thiện hơn kiến thức của chúng ta về nền tảng cơ bản của sinh vật học nhằm tiến tới những giai đoạn cuối trong việc chế tạo một hệ gen tổng hợp. Đây có thể là một trong những phát hiện quan trọng nhất trong lĩnh vực tổng hợp gen”.

Nghiên cứu này dựa trên một bước đột phát trước đây tại JCVI. Năm 2007, nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả từ thí nghiệm cấy hệ gen của M. mycoides vào tế bào M. capricolum và dẫn đến việc tế bào M. capricolum chuyển hóa thành M. mycoides. Nghiên cứu này đã thiết lập nên khái nhiệm rằng ADN là “phần mềm” của sự sống và chính ADN quyết định kiểu hình gen.

Năm 2008 nhóm nghiên cứu đã báo cáo về việc xây dựng hệ gen vi khuẩn tổng hợp đầu tiên bằng cách lắp ráp các mảnh ADN được hình thành từ 4 chất hóa học của sự sống - ACGT. Việc đưa những mảnh ADN vào hệ gen được thực hiện trong men bằng cách sử dụng hệ thống gen của men. Tuy nhiên, khi nhóm nghiên cứu tìm cách cấy hệ gen vi khuẩn tổng hợp vào một tế bào vi khuẩn, tất cả các thí nghiệm đều thất bại.

Các nhà nghiên cứu trước đây đã khẳng định rằng không có protein nào cần đến trong quá trình cấy nhiếm sắc thể, tuy nhiên họ cũng cho biết ADN methylation (biến đổi hóa học của ADN mà các tế bào vi khuẩn sử dụng để bảo vệ hệ gen của mình khỏi thoái hóa do enzim giới hạn, chính là những protein cắt ADN ở những vị trí cụ thể) có thể cần cho quá trình này. Khi nhiễm sắc thể được cô lập trực tiếp khỏi tế bào vi khuẩn, nó đã trải qua quá trình methylation và do đó có thể cấy được vì nó được bảo vệ khỏi các enzim giới hạn.

Men. Toàn bộ hệ gen của vi khuẩn Mycoplasma mycoides được sao chép trong một tế bào men bằng cánh thêm vào chuỗi plasmid của men vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Các nhà nghiên cứu đã biến đổi chuỗi này trong tế bào men sử dụng hệ thống gen của men. Nhiễm sắc thể của vi khuẩn đã được biến đổi sau đó tiếp tục được cô lập khỏi men và cấy vào một loài vi khuẩn họ hàng, Mycoplasma capricolum, để tạo ra một dạng tế bào M. mycoides mới. (Ảnh: Wikimedia Commons. Public Domain Image)

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu bắt đầu sao chép hệ gen M. mycoides vào men bằng cách thêm vào một trung đoạn men vào hệ gen của vi khuẩn. Đây là lần đầu tiên hệ gen vi khuẩn được phát triển một cách thành công trong men. Những enzim methylase được cô lập khỏi M. mycoides và được sử dụng để methylate hệ gen của M. mycoides được cô lập khỏi men. Khi ADN được methylate nhiễm sắc thể có thể được cấy thành công vào một loài M. capricolum. Tuy nhiên, nếu ADN không được methylate thì những thí nghiệm cấy sẽ không thành công. Để chứng minh rằng những enzim giới hạn trong tế bào M. capricolum chịu trách nhiệm cho sự phá hủy hệ gen được cấy, nhóm nghiên cứu đã loại bỏ những gen enzim giới hạn khỏi hệ gen của M. capricolum. Khi quá trình cấy hệ gen được thực hiện trên những tế bào đã được loại bỏ enzim giới hạn, tất cả các thí nghiệm đều thành công bất chấp liệu ADN có được methylate hay không.

“Khả năng biến đổi hệ gen vi khuẩn trong men là một bước tiến quan trọng, mở rộng tác dụng di truyền của men đối với vi khuẩn. Nếu điều này được mở rộng đối với các vi khuẩn khác, chúng tôi tin rằng phương pháp này có thể sẽ được sử dụng trong những thực hành thi nghiệm thông thường để biến đổi sinh vật”, tiến sĩ Sanjay Vashee, nhà nghiên cứu thuộc JCVI đồng thời là tác giả của bài báo, cho biết.

Nhóm nghiên cứu hiện có một chu kỳ sao chép hệ gen hoàn chỉnh trong men, biến đổi hệ gen vi khuẩn như một nhiễm sắc thể men và cấy hệ gen quay trở lại một tế bào vi khuẩn để tạo ra một dòng vi khuẩn mới. Những phương pháp mới này sẽ cho phép nhóm nghiên cứu đạt được thành công trong việc cấy và kích hoạt những hệ vi khuẩn tổng hợp. Nghiên cứu được công bố ngày 21 tháng 8 bởi các nhà nghiên cứu JCVI, và được tài trợ bởi Công ty gen tổng hợp, do Tiến sĩ Smith và Venter cùng sáng lập.

Tham khảo:

1. Lartigue et al. Creating Bacterial Strains from Genomes That Have Been Cloned and Engineered in Yeast. Science, August 20, 2009; DOI: 10.1126/science.1173759