Xây dựng một chromosome nhân tạo của yeast

Tin tức này được đăng trên tạp chí Nature, số 509, ngày 08 tháng Năm 2014. Các nhà khoa học đã đạt được một bước tiến đáng kể trong ngành sinh học tổng hợp (synthetic biology) bằng kỹ nghệ DNA (DNA engineering) khi họ đã tổng hợp thành công chromosome số 3 của tế bào yeast (Saccharomyces cerevisiae).

Ngày nay, các nhà khoa học đang có tham vọng thiết kế và tổng hợp ra một tế bào theo ý muốn của họ. Điều này có thể hình dung như sau. Nếu bạn xem tế bào sinh vật như một chiếc máy tính, thì bộ gen chính là phần mềm, còn các thành phần tế bào là phần cứng dùng để chạy phần mềm đó. Như vậy, bằng cách thay đổi bộ gen theo ý muốn, con người sẽ tạo ra được những tế bào mới. Đây là một ước mơ có thể thực hiện được trong vòng 10 năm tới theo tiên đoán của các nhà khoa học. Trong công trình này, giáo sư Narayana Annaluru và các cộng sự đã đạt được bước đầu tiên, đó là tạo ra chromosome tổng hợp của yeast. Sơ lược cách làm như sau.

Đầu tiên, các nhà khoa học tải dữ liệu về chromosome số 3 của yeast từ cơ sở dữ liệu trên mạng. Sau đó, họ xóa các đoạn DNA không cần thiết, nối các đoạn mã đặc trưng để giúp phân biệt DNA tự nhiên và nhân tạo, và thay thế một đoạn DNA chuyên biệt có nhiệm vụ kết thúc phiên mã bằng một đoạn DNA có nhiệm vụ tương tự. Đồng thời, họ đặt bên cạnh mỗi gen không thiết yếu những đoạn DNA để giúp xóa bỏ các genes đó khi có tín hiệu. Điều này giúp làm giảm kích cỡ của chromosome, một đặc trưng được thiết kế để giúp xác định những nhóm genes nhỏ nhất cần thiết cho một chức năng hay cho sự sinh tồn trong một điều kiện tăng trưởng nhất định.

Để tạo ra DNA, họ dùng hóa học tổng hợp nhiều đoạn DNA nhỏ có đoạn mã chồng lên nhau. Mỗi đoạn DNA chứa khoảng 70 nucleotides. Sau đó, họ dùng các phương pháp tổ hợp DNA (DNA assembly methods) để khâu các đoạn này lại thành những cấu trúc dài khoảng 3 kb.

Cuối cùng, chromosome gốc nằm bên trong tế bào sẽ được thay thế lần lượt bằng các đoạn DNA 3kb ở trên. Bằng cách này, họ đã tạo ra một dòng tế bào yeast mới với chromosome số 3 nhân tạo. Chromosome này dài 273 kb, chứa 50000 thay đổi di truyền, và ngắn hơn 14% so với chromosome gốc.

Trước đó, có một số công trình mở đường khác trong ngành sinh học tổng hợp. Các nhóm này sử dụng tế bào yeast để tạo ra một bộ gen tổng hợp hoàn chỉnh của hai loài vi khuẩn Mycoplasma genitalium (583kb) và M. mycoides (1078kb). Các bộ gen tổng hợp này không hoạt động khi nằm trong yeast, bởi vì yeast thiếu các proteins cần thiết cho việc biểu hiện các gen của vi khuẩn. Họ mới dùng phương pháp cấy ghép bộ gen (genome transplantation) để chuyển bộ gen tổng hợp này vào tế bào vi khuẩn. Nhờ đó, họ đã tạo ra những tế bào vi khuẩn nhân tạo có những gen theo ý muốn. Trong hình vẽ, (a) minh họa bộ gen tổng hợp của vi khuẩn, còn (b) minh họa chromosome tổng hợp của yeast.

Các nhà khoa học hiện đang nghiên cứu để lập trình lại toàn bộ 15 chromosomes khác của yeast. Từ đó, họ có thể hoàn thành giấc mơ tạo ra một dòng tế bào yeast nhân tạo theo ý muốn của họ.

Giấc mơ này thể hiện sức mạnh trí tuệ của con người thật vĩ đại. Những điều tưởng chừng không thể nhưng con người vẫn không ngừng mơ ước và biến những mơ ước đó thành hiện thực. 

Huy Vũ

Đăng lần đầu ngày 22.6.2014

Nguồn hình: Nature

Tài Liệu Tham Khảo:

1. Annaluru, Narayana, et al. “Total synthesis of a functional designer eukaryotic chromosome.” Science 344.6179 (2014): 55-58.
2. Gibson, Daniel G., and J. Craig Venter. “Synthetic biology: Construction of a yeast chromosome.” Nature 509.7499 (2014): 168-169.

Xin mời Quý Độc Giả bỏ ra 2-5 phút để làm một khảo sát mức độ hài lòng về bài viết của IBSG tại đây. IBSG chân thành cảm ơn Quý Độc Giả!