Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp mới giúp đơn giản hóa rất nhiều việc sản xuất các phân tử DNA lớn chứa nhiều hàng trăm gen. Với phương pháp này, họ đã xây dựng bộ gen đầu tiên của một loại vi khuẩn được thiết kế hoàn toàn bằng thuật toán máy tính. Phương pháp này có tiềm năng cách mạng hóa công nghệ sinh học.
C. ethensis-2.0 dựa trên bộ gen của một loại vi khuẩn nước ngọt được nghiên cứu kỹ lưỡng và vô hại, Caulobacter crescentus , một loại vi khuẩn xuất hiện tự nhiên trong nước suối, sông hồ trên toàn cầu. Nó không gây ra bất kỳ bệnh. C. crescentus cũng là một sinh vật mẫu thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu để nghiên cứu sự sống của vi khuẩn. Bộ gen của vi khuẩn này chứa 4.000 gen. Các nhà khoa học trước đây đã chứng minh rằng chỉ có khoảng 680 trong số các gen này là rất quan trọng đối với sự sống sót của các loài trong phòng thí nghiệm. Vi khuẩn có bộ gen tối thiểu này khả thi trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Beat Christen, Giáo sư Sinh học Hệ thống Thực nghiệm tại ETH Zurich, và anh trai của ông, Matthias Christen, một nhà hóa học tại ETH Zurich, đã lấy bộ gen tối thiểu của C. crescentus làm điểm khởi đầu. Họ bắt đầu tổng hợp hóa học bộ gen này từ đầu, như một nhiễm sắc thể hình vòng liên tục. Theo một báo cáo truyền thông, một nhiệm vụ như vậy trước đây được coi là một chuyến đi thực tế: Bộ gen vi khuẩn tổng hợp hóa học được trình bày cách đây mười một năm bởi nhà tiên phong di truyền học người Mỹ Craig Venter là kết quả của mười năm làm việc của 20 nhà khoa học. Chi phí của dự án được cho là đã lên tới 40 triệu đô la.
Trong khi nhóm của Venter tạo ra một bản sao chính xác của bộ gen tự nhiên, các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich đã thay đổi hoàn toàn bộ gen của họ bằng thuật toán máy tính. Động lực của họ là gấp đôi: một, để tạo ra bộ gen dễ dàng hơn, và hai, để giải quyết các câu hỏi cơ bản về sinh học.
Để tạo ra một phân tử DNA lớn như bộ gen của vi khuẩn, các nhà khoa học phải tiến hành từng bước. Trong trường hợp bộ gen Caulobacter , các nhà khoa học tại ETH Zurich đã tổng hợp 236 phân đoạn bộ gen, sau đó chúng được ghép lại với nhau. “Việc tổng hợp các phân đoạn này không phải lúc nào cũng dễ dàng,” Matthias Christen giải thích. “Các phân tử DNA không chỉ sở hữu khả năng bám vào các phân tử DNA khác, mà tùy thuộc vào trình tự, chúng còn có thể tự xoắn thành các vòng và nút thắt, có thể cản trở quá trình sản xuất hoặc khiến sản xuất không thể thực hiện được”, Matthias Christen giải thích.
Để tổng hợp các phân đoạn bộ gen theo cách đơn giản nhất có thể, và sau đó ghép tất cả các phân đoạn theo cách hợp lý nhất, các nhà khoa học đã đơn giản hóa triệt để trình tự bộ gen mà không sửa đổi thông tin di truyền thực tế (ở mức độ protein). Có rất nhiều vĩ độ cho việc đơn giản hóa bộ gen, bởi vì sinh học đã tích hợp sẵn để lưu trữ thông tin di truyền. Ví dụ, đối với nhiều thành phần protein (axit amin), có hai, bốn hoặc thậm chí nhiều khả năng hơn để ghi thông tin của chúng vào DNA.
Thuật toán được phát triển bởi các nhà khoa học tại ETH Zurich giúp sử dụng tối ưu sự dư thừa của mã di truyền này. Sử dụng thuật toán này, các nhà nghiên cứu đã tính toán trình tự DNA lý tưởng cho quá trình tổng hợp và xây dựng bộ gen mà cuối cùng họ sử dụng cho công việc của họ.
Do đó, các nhà khoa học đã gieo nhiều sửa đổi nhỏ vào bộ gen tối thiểu, tuy nhiên, toàn bộ là rất ấn tượng: hơn một phần sáu trong số 800.000 chữ cái DNA trong bộ gen nhân tạo đã được thay thế, so với mức tối thiểu “tự nhiên” bộ gen. “Thông qua thuật toán của chúng tôi, chúng tôi đã viết lại hoàn toàn bộ gen của mình thành một chuỗi các chữ cái DNA mới không còn giống với trình tự ban đầu. Tuy nhiên, chức năng sinh học ở cấp độ protein vẫn giữ nguyên”, Beat Christen nói.
Bộ gen được viết lại cũng thú vị từ góc độ sinh học. “Phương pháp của chúng tôi là một thử nghiệm giấy quỳ để xem liệu các nhà sinh học có hiểu đúng về di truyền hay không và nó cho phép chúng tôi làm nổi bật những lỗ hổng có thể có trong kiến thức của chúng tôi”, Beat Christen giải thích. Đương nhiên, bộ gen được viết lại chỉ có thể chứa thông tin mà các nhà nghiên cứu đã thực sự hiểu. Thông tin bổ sung “ẩn” có thể có trong chuỗi DNA và chưa được các nhà khoa học hiểu rõ, sẽ bị mất trong quá trình tạo mã mới.
Nhằm mục đích nghiên cứu, các nhà khoa học đã tạo ra các chủng vi khuẩn chứa cả bộ gen Caulobacter tự nhiên và cả các bộ phận của bộ gen nhân tạo mới. Bằng cách tắt một số gen tự nhiên ở những vi khuẩn này, các nhà nghiên cứu đã có thể kiểm tra chức năng của các gen nhân tạo. Họ đã thử nghiệm từng gen nhân tạo trong một quy trình nhiều bước.
Trong các thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chỉ có khoảng 580 trong số 680 gen nhân tạo có chức năng. “Với kiến thức chúng tôi có được, tuy nhiên, chúng tôi sẽ có thể cải thiện thuật toán của mình và phát triển một phiên bản genome đầy đủ chức năng 3.0,” Beat Christen nói.
“Mặc dù phiên bản hiện tại của bộ gen vẫn chưa hoàn hảo, tuy nhiên công việc của chúng tôi cho thấy các hệ thống sinh học được xây dựng theo cách đơn giản đến mức trong tương lai, chúng tôi sẽ có thể tìm ra các thông số kỹ thuật thiết kế trên máy tính theo mục tiêu của chúng tôi , và sau đó xây dựng chúng, “Matthias Christen nói. Và điều này có thể được thực hiện theo cách tương đối đơn giản, như Beat Christen nhấn mạnh: “Mất mười năm với cách tiếp cận của Craig Venter, nhóm nhỏ của chúng tôi đã đạt được công nghệ mới của chúng tôi trong khung thời gian một năm với chi phí sản xuất 120.000 franc Thụy Sĩ.”
“Chúng tôi tin rằng cũng sẽ sớm có thể tạo ra các tế bào vi khuẩn chức năng với bộ gen như vậy”, Beat Christen nói. Sự phát triển như vậy sẽ có tiềm năng lớn. Trong số các ứng dụng trong tương lai có thể có các vi sinh vật tổng hợp có thể được sử dụng trong công nghệ sinh học để sản xuất các phân tử hoặc vitamin hoạt tính dược phẩm phức tạp, ví dụ. Công nghệ này có thể được sử dụng phổ biến cho tất cả các vi sinh vật, không chỉ Caulobacter . Một khả năng khác là sản xuất vắc-xin DNA.
Beat Christen nói: “Có triển vọng như kết quả nghiên cứu và các ứng dụng khả thi, họ yêu cầu một cuộc thảo luận sâu sắc trong xã hội về các mục đích mà công nghệ này có thể được sử dụng, đồng thời, về cách ngăn chặn sự lạm dụng”. Vẫn chưa rõ khi nào vi khuẩn đầu tiên có bộ gen nhân tạo sẽ được sản xuất nhưng giờ đây rõ ràng là nó có thể và sẽ được phát triển. “Chúng ta phải sử dụng thời gian chúng ta dành cho các cuộc thảo luận chuyên sâu giữa các nhà khoa học và cả trong xã hội. Chúng ta sẵn sàng đóng góp cho cuộc thảo luận đó, với tất cả những bí quyết mà chúng ta sở hữu.”
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi ETH Zurich . Bản gốc được viết bởi Fabio Bergamin. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :