Sinh học tổng hợp: Cướp quyền tạo hóa

Một cơn sốt nặng đang lây lan trong nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới, nhiễm vào các nhà sinh học, vật lý, hóa học và chuyên gia vi tính.

Triệu chứng: muốn tái tạo sự sống trong ống nghiệm hay trên máy tính, tạo một sinh vật sống từ các thành phần hóa học... trơ, hay “quậy” vào sự sống để tạo ra... sinh vật mới! Cơn sốt này có tên là sinh học tổng hợp!

Đừng lẫn lộn sinh học tổng hợp với hóa học tiền sinh học, vốn tìm cách gây mầm sống đầu tiên bằng cách pha trộn trong một “nồi xúp” các phân tử đơn giản nhất. Cũng không như sự sống nhân tạo của thập niên 1970, khi tìm cách làm cho máy móc thông minh hơn.

Dù có vay mượn kỹ thuật thao tác gen cổ điển, sinh học tổng hợp vẫn khác xa, với những tham vọng lớn hơn và hướng sử dụng cũng phức tạp hơn. Với bộ môn mới này, sinh học đã bước thẳng vào lĩnh vực “thiết kế đồ án”. Nhà sinh học không còn chỉ là kẻ tìm hiểu cơ cấu sự sống, mà còn sử dụng nó như một phương tiện để gia tăng khả năng khống chế vũ trụ của con người. Giáo sư Theodor von Karman từng nói: “Nhà khoa học khám phá sự vật hiện hữu, các kỹ sư tạo ra sinh vật chưa từng có!”.

Lập trình lại vi trùng!

Đó là những kỹ sư, chuyên gia vi tính, nhà hóa học, sinh học... Họ muốn hiểu và kiểm soát thiên nhiên. Họ nghĩ rằng sự sống là một chương trình được mã hóa trong phân tử ADN. Thay đổi, viết lại mã số này sẽ buộc thiên nhiên làm cái mà con người chưa bao giờ làm, thậm chí thiên nhiên cũng chưa làm! Và họ đang tấn công dữ dội vào các loại vi trùng, bằng một kỹ thuật được gọi là lập lại chương trình.

Năm 2000, Michael Elowitz và Stanislas Leiber, thuộc phân khoa sinh học phân tử ĐH Princeton, Hoa Kỳ, đã làm cho con vi trùng Escherichia coli vốn có màu xám xịt trở nên sáng... nhấp nháy! Cùng lúc đó Ron Weiss làm cho nó biến màu theo môi trường, thành màu đỏ khi có một số phân tử xuất hiện và màu xanh khi không có. Và Christopher Voigt thuộc ĐH California lại biến nó thành... phim chụp ảnh! Tùy theo ánh sáng chiếu vào mạnh hay yếu mà nó có màu trắng hay đen!

Mỗi lần như thế, các nhà nghiên cứu này xem gen như những transitor của một mạch điện tử. Các axit nucléic A, C, G, T của phân tử ADN thay thế cho các chuỗi số 0 và 1 của máy vi tính. Nhưng dù có thể ráp nối các phân tử ADN một cách dễ dàng, vi trùng không phải lúc nào cũng tạo ra cái mà nhà nghiên cứu muốn. Ron Weiss kể lại: “Phải mất nhiều năm thiết kế đê tạo ra một hệ thống có thể vận hành được”.

Bộ môn còn đang thành hình. Nó còn phải chuẩn hóa các khối gen, loại bỏ những hư hỏng, lý thuyết hóa một số kết quả. Tại ĐH Berkeley, Jay Keasling dự kiến tổng hợp bên trong con vi trùng artémisine một phân tử chống sốt rét, vốn rất khó điều chế nhân tạo. Christopher Vight lại tạo con vi trùng “ngửi” được bệnh ung thư.

Người khác lại mơ ước tạo được loại vi trùng khử ô nhiễm và độc chất của môi trường. Ron Weiss kết luận: “Chúng tôi đang ở thời kỳ giống như lúc khởi đầu máy vi tính. Ứng dụng là không thể lường trước được”.

Tạo ra virus

Di truyền học cho phép đi xa hơn chuyện thay đổi vài gen của một con vi trùng. Nó có thể ghép từng gen một và tạo sự sống cho con virus. Chẳng hạn, năm 2002, nhóm của Eckard Wimmer, thuộc ĐH New York, đã tạo ra được con virus gây bệnh bại liệt từ một chuỗi gen đơn giản tại Phòng thí nghiệm Stony Brook. Họ ghép được 7.500 gốc của một phân tử ADN, giống như người ta xỏ các hạt ngọc lại để tạo ra một xâu chuỗi.

Không tác dụng khi nằm bên ngoài tế bào, con virus nhân tạo này gây ra bệnh giống hệt như virus thiên nhiên lúc được cấy vào cơ thể con chuột. Eckard Wimmer nói rõ: “Chúng tôi muốn chứng minh: virus chỉ là hóa chất, một công thức đơn giản! Dù rằng bệnh bại liệt được xem như bị diệt tận gốc, rõ ràng chẳng có virus nào biến mất hoàn toàn”. Từ một chuỗi phân tử ADN, người ta có thể tạo ra sự sống cho một sinh vật.

Đó cũng là điều mà nhóm của giáo sư Jeffrey Tautenberg, Viện Bệnh học quân đội Hoa Kỳ, làm được vào cuối năm 2005. Từ mẫu phổi lưu trữ của một phụ nữ chết vào thời kỳ đại dịch Tây Ban Nha năm 1918, ông đã tái tạo được virus gây bệnh cúm. Trận dịch này đã giết chết 50 triệu người lúc đó.

Cả Wimmer lẫn Tautenberg đều không phải là những kẻ khủng bố sinh học. Mục tiêu của họ chỉ là phá vỡ bí ẩn virus, để hiểu được nguồn gốc bạo tàn của nó, tiên đoán diễn biến và dĩ nhiên để chế tạo ra văcxin. Có cách nào tốt hơn là tạo ra gốc virus trong phòng thí nghiệm?

Như vậy, các nhà “sáng tạo” ra cúm Tây Ban Nha có thể trở về nguồn gốc virus, rất có thể cũng là gia cầm, nhưng khác với virus H5N1 hiện nay đang hoành hành khắp thế giới. Ngoài ra, Eckard Wimmer còn dự kiến dùng các sinh vật tổng hợp này để tấn công các chứng bệnh như sốt rét sông Nil hay viêm màng não.

Hai nhóm nghiên cứu tiên phong này chắc chắn sẽ “quậy tưng” bởi vì càng ngày càng dễ dàng tổng hợp những gen lớn hơn. Năm 2002, để tạo ra con virus gây bệnh bại liệt phải mất một năm. Bây giờ chỉ cần vài tuần lễ! Năm 2003, nhà sinh học người Mỹ Craig Venter tổng hợp được 5.000 gốc của một con virus có khả năng diệt được vi trùng, chỉ trong vòng 14 ngày.

Từ đó các kỷ lục lần lượt bị phá vỡ liên tiếp. Cuối năm 2004, tại ĐH Harvard, nhóm của giáo sư George Church đã ghép được 14.500 gốc cho một mẫu phân tử ADN. Tất cả tương đương với axit amin trong các protein. Cùng lúc đó một nhóm nghiên cứu của Công ty Mỹ Kosan Bioscience đã tổng hợp được một phân tử ADN từ 32.000 gốc, một trong các protein của con vi trùng E. Coli!

Cuối cùng năm 2005, George Church đã ghép được một phân tử ADN bao gồm đến 10 triệu gốc. Nhưng với tỉ lệ sai lầm lại cao gấp 10 lần thí nghiệm trước của ông! Tóm lại: bộ gen di truyền hoàn chỉnh với 4,7 triệu gốc của con vi trùng Escherichia coli được xem như nằm trong tầm tay “lắp ráp” của các nhà nghiên cứu.

Tháng 12-2005 tạp chí Mỹ Wired đã liệt kê danh sách 20 cơ sở sinh học, trong đó có: DNA 2.0, Blue Heron, Codon Devices, Integrated DNA... Jeremy Minshull, lãnh đạo Công ty DNA 2.0, ra đời cách nay ba năm, nói: “Năm 2003, giá một cặp gốc cơ bản để tạo ra phân tử ADN là từ 5-8 USD. Bây giờ 1-3 USD”.

George Church tiên đoán: “Công ty Codon Device mà tôi đã thành lập sẽ hữu ích cho hàng loạt xí nghiệp kỹ thuật sinh học, hóa học và y dược. Chúng tôi tương đương với Microsoft hay IBM trong lĩnh vực sinh học”.

Bộ gen tối thiểu cho sự sống

Cuộc sống cần tối thiểu bao nhiêu gen để có thể tồn tại? Câu hỏi này đã được nhà sinh học người Mỹ Craig Venter đặt ra từ nhiều năm qua. Sau khi tham gia giải mã bộ gen lớn nhất: con người, ông đã quay sang đam mê ban đầu của mình là đeo đuổi con vi trùng. Mục tiêu: xác định số lượng gen tối thiểu mà một cơ thể sống cần có để tồn tại. Tự thân đề tài nghiên cứu này đã là một sự kiện lớn.

Mycoplasma genitalium là một “cư dân” của hành tinh chỉ cần 517 gen để có thể bảo đảm là một sinh vật: di chuyển, ăn, sinh sản... Tuy nhiên, tất cả không hẳn cần phải đầy đủ và nhà nghiên cứu chỉ cần ráp nối khoảng 250. Từ kho dự trữ gen cơ bản này, Craig Venter có tham vọng đưa vào các gen mới, cho phép sản sinh ra khí hydrogen, hay hút khí CO2 của hiệu ứng nhà kính.

Thật ra sống là một vấn đề rất tương đối và có quan hệ mật thiết với môi trường xung quanh. Một cơ thể tối thiểu, hoạt động ở 37oC rất có thể không tồn tại ở 40oC, bởi vì nó thiếu một số gen công cụ để thích nghi với sự thay đổi của môi trường.

Bởi vậy, tin rằng con người được xác định chỉ bằng một bộ gen di truyền là quên đi hàng chục ngàn loại vi trùng khác nằm trong cơ thể, để bổ sung những nhu cầu thiết yếu dành cho sự sống. Dusko Ehrlich nói rõ: “Mỗi cá nhân có nhiều ngàn loại sinh vật khác nhau nằm trong cơ thể. Và số tế bào vi trùng trong cơ thể nhiều gấp 10 lần số tế bào thực của chúng ta. Nếu một người ngoài vũ trụ quan sát chúng ta, họ sẽ rất kinh ngạc khi nhìn thấy các loài vi trùng đang sống trong cơ thể con người một cách ấm cúng và đầy thông minh”.

Tế bào nhân tạo

Không có máy, một chương trình máy tính không thể chạy. Sự sống cũng thế. Chương trình di truyền chỉ có thể chạy nếu có một nền tảng. Nền tảng này là tế bào, được bao quanh bằng một cái màng, có thể tương tác với bên ngoài.

Năm 2005, Albert Libchaber, một người Pháp làm việc tại ĐH Rockfeller, New York, đã tạo được những protein từ bên trong tế bào, sau đó nó di chuyển ra phía màng để làm kênh thông thương giữa bên trong và bên ngoài. Hiệu quả thấy rõ tức khắc. Tế bào sống lâu hơn, bằng cách hút thức ăn từ bên ngoài và thải chất ô uế từ bên trong. Nó sống được vài ngày, so với vài giờ nếu không có kênh thông thương.

Về phần “lập trình” để cho cỗ máy sự sống chuyển động, chúng ta thấy càng ngày càng dễ viết hơn. Phân tử ADN ở đây chỉ gồm dưới 10.000 gốc cơ bản.

Tuy nhiên, muốn tạo ra sự sống, phải cần có thêm nhiều yếu tố khác nữa: enzyme để kích thích phản ứng; axit amin để làm những viên gạch nền, các ribosome để kết nối axit amin... Dù phức tạp nhưng công thức này đã được các nhà nghiên cứu hiểu rõ.

Tùy theo quan điểm của mỗi nhóm nghiên cứu mà người ta nhắm đến những ứng dụng khác nhau. Mark Bedau, nhà sáng lập Công ty ProtoLife, nói: “Các hình thức sống nhân tạo có thể dùng để xử lý ô nhiễm môi trường. Nó ăn được cái đối với chúng ta là chất độc. Có thể xem tế bào giống như những nhà máy mini, sản xuất ra cái mà con người không thể làm được, như hydrogen”. Mark Bedau quả quyết: “Một tế bào nhân tạo khi nào ra đời? Không xa đâu!”. Niềm lạc quan của nhà nghiên cứu người Mỹ này đã bắt đầu lan tỏa tại châu Âu.

Tạo ra quái vật?

Sự sống đa dạng trong thiên nhiên không hỗn loạn. Trái lại, tất cả vi trùng, cây cỏ, loài vật trong vũ trụ đều thành hình từ những viên gạch cơ bản. Đó là khoảng 20 axit amin nền tảng. Bởi thế các nhà nghiên cứu tự hỏi: có thể nào thai nghén sự sống bằng những “loại gạch” khác? Peter Schultz, thuộc Viện Nghiên cứu Scripps tại California, nói: “Mặc dù một mã số với 20 axit amin đủ để tạo ra sự sống, nó có thể chưa phải là tốt nhất”.

Dẫn đầu môn phái này, năm 2000 nhóm của ông đã chứng minh: một sinh vật như con vi trùng có thể chen vào tiến trình chế tạo axit amin, vốn không phải là bản chất của nó. Từ đó, nhóm này đã “mã hóa di truyền” được hơn 30 axit amin khác. Đó là những phân tử kỳ lạ có thể phát sáng, hay mang được nguyên tử nặng... chưa từng có trong vũ trụ!

Những con quái vật này còn ở giai đoạn bào thai. Nhưng lợi ích tương lai lại rất lớn. Các nhà nghiên cứu nghĩ đến axit amin mang phân tử chữa bệnh như polyéthylène glycol nhằm cải tiến khả năng chữa bệnh của nhiều loại thuốc. Nhóm khác lại nghiên cứu tạo chất polyme sinh học từ các protein kết chùm trong ống nghiệm. Có nhóm muốn tạo ra vi trùng có khả năng tẩy độc đất để làm sạch môi trường, tạo ra khí hydrogen...

Trên lý thuyết, triển khai mật mã di truyền không chỉ cho phép đi đến tận nguồn của sự sống trên Trái đất, mà còn giúp hiểu được hình thái sự sống khác ngoài vũ trụ. Một điều chắc chắn, nếu sự sống khác cũng tồn tại trong vũ trụ, nó sẽ cùng ngôn ngữ với chúng ta.

Tiến hóa song song của kỹ thuật số

Không nhất thiết phải thao tác trên gen và phân tử mới hiểu được bí mật sự sống. Với tiến bộ của máy tính, thao tác trên một vài dữ liệu, như môi trường, là có thể hiểu được động lực chung của một qui trình tiến hóa, vốn còn rất bí ẩn.

Nó “cơ động” hơn một nhà sinh học trong phòng thí nghiệm, bởi vì sức mạnh hiện đại của máy tính có thể tạo ra mấy trăm thế hệ tiến hóa trong không gian chỉ sau một phút! Và kết quả không khỏi làm các nhà nghiên cứu kinh ngạc.

Chris Amadi, giám đốc Phòng thí nghiệm Life Digital tại Caltech, California, đã triển khai Avida, một chương trình với các sinh vật ảo, được gọi là Avidiens. Microsoft đã tài trợ cho phòng thí nghiệm này.

***    ***    ***

Tạo ra sự sống, có nguy hiểm không? Sinh học tổng hợp phát triển, đồng thời cũng đem đến những hậu quả xã hội, môi trường và đạo đức.

Tháng 6-2005, một ủy ban đạo đức sinh học đã được thành lập tại Hoa Kỳ, có sự tham gia của các nhà triết học và nhân chủng học. Trước đây 32 năm, vào năm 1974, đã ra đời Ủy ban Asilomar, nhằm qui định chuẩn mực an toàn cho các thí nghiệm về chuyển gen, giám sát mức độ nguy hiểm của kỹ thuật sinh học để báo động với thế giới, trước khi quá muộn...

ĐINH CÔNG THÀNH (Science & Avenir 3-2006)