Các nhà nghiên cứu từ Đại học Bristol và Hamburg đã tạo ra vi khuẩn có dự trữ chất dinh dưỡng bên trong có thể được sử dụng khi cần thiết để tồn tại trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Các phát hiện này, được công bố trên tạp chí ACS Synthetic Biology, mở đường cho các công nghệ sinh học mạnh mẽ hơn dựa trên các vi khuẩn được thiết kế.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu phát triển một vật liệu bắt chước cách bộ não lưu trữ thông tin.
Sinh học tổng hợp cho phép các nhà khoa học thiết kế lại các sinh vật, khai thác khả năng của chúng để dẫn đến các giải pháp sáng tạo bao gồm sản xuất vật liệu sinh học bền vững để cảm biến mầm bệnh và bệnh tật tiên tiến.
Tiến sĩ Thomas Gorochowski, đồng tác giả cao cấp và là Nghiên cứu viên của Đại học Hiệp hội Hoàng gia tại Trường Khoa học Sinh học tại Bristol, cho biết: “Nhiều hệ thống sinh học được thiết kế mà chúng tôi đã tạo ra cho đến nay rất mong manh và dễ bị phá vỡ khi bị loại bỏ khỏi các điều kiện được kiểm soát cẩn thận của phòng thí nghiệm. Điều này khiến việc triển khai và mở rộng quy mô của chúng trở nên khó khăn.”
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tập trung vào ý tưởng xây dựng dự trữ protein trong tế bào khi thời điểm thích hợp, sau đó phá vỡ chúng khi điều kiện khó khăn và cần bổ sung chất dinh dưỡng.
>> Tham khảo: Các quang điện cực thay đổi như thế nào khi tiếp xúc với nước.
Klara Szydlo, tác giả đầu tiên và là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Hamburg, đã giải thích thêm: “Các tế bào cần các khối xây dựng như axit amin để hoạt động và tồn tại. Chúng tôi đã biến đổi vi khuẩn để có một kho dự trữ được bảo vệ, sau đó có thể bị phá vỡ và giải phóng khi các chất dinh dưỡng trở nên khan hiếm trong môi trường rộng lớn hơn.
Điều này cho phép các tế bào tiếp tục hoạt động khi gặp khó khăn và khiến chúng trở nên mạnh mẽ hơn trước bất kỳ thách thức bất ngờ nào mà chúng gặp phải.”
Để tạo ra một hệ thống như vậy, nhóm đã thiết kế vi khuẩn để tạo ra các protein không thể được tế bào sử dụng trực tiếp, nhưng được các máy phân tử gọi là protease nhận ra.
Khi các chất dinh dưỡng dao động trong môi trường, những protease này sau đó có thể được gọi để giải phóng các axit amin tạo nên nguồn dự trữ protein.
>> Tham khảo: Không có dấu hiệu giảm lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu.
Các axit amin được giải phóng cho phép các tế bào tiếp tục phát triển, mặc dù môi trường thiếu chất dinh dưỡng cần thiết. Hệ thống này hoạt động tương tự như một cục pin sinh học mà tế bào có thể chạm vào khi nguồn điện lưới bị cắt.
Tiến sĩ Gorochowski nói thêm: “Việc phát triển một hệ thống như thế này rất khó khăn vì có nhiều khía cạnh khác nhau của thiết kế cần xem xét. Dự trữ protein nên lớn đến mức nào? Cần phải phân hủy nhanh như thế nào?
Loại biến động môi trường này sẽ như thế nào? phương pháp nào hiệu quả? Chúng tôi có rất nhiều câu hỏi và không có cách nào dễ dàng để đánh giá các lựa chọn khác nhau.”
Để giải quyết vấn đề này, nhóm đã xây dựng một mô hình toán học cho phép họ mô phỏng nhiều tình huống khác nhau và hiểu rõ hơn nơi hệ thống hoạt động tốt và nơi hệ thống bị hỏng.
Hóa ra là cần có sự cân bằng cẩn thận giữa quy mô dự trữ protein, tốc độ phân hủy của nó khi cần thiết và khoảng thời gian khan hiếm chất dinh dưỡng.
Tuy nhiên, điều quan trọng là mô hình cũng chỉ ra rằng nếu có sự kết hợp đúng đắn của các yếu tố này, tế bào có thể được bảo vệ hoàn toàn khỏi những thay đổi của môi trường.
>> Tham khảo: Combo CRISPR mới tăng cường sức mạnh chỉnh sửa bộ gen ở thực vật.
Giáo sư Zoya Ignatova, đồng tác giả cao cấp của Viện Sinh hóa và Sinh học Phân tử tại Đại học Hamburg, kết luận: “Chúng tôi đã có thể chứng minh việc quản lý cẩn thận nguồn dự trữ các nguồn tế bào quan trọng là một cách tiếp cận có giá trị đối với vi khuẩn kỹ thuật cần hoạt động như thế nào” trong môi trường đầy thách thức.
Khả năng này sẽ ngày càng trở nên quan trọng khi chúng tôi triển khai các hệ thống của mình vào các môi trường phức tạp trong thế giới thực và công việc của chúng tôi giúp mở đường cho các tế bào được thiết kế mạnh mẽ hơn có thể hoạt động theo cách an toàn và có thể dự đoán được.”
Nghiên cứu này được tài trợ bởi chương trình nghiên cứu và đổi mới Horizon 2020 của Liên minh Châu Âu trong khuôn khổ Marie Skóodowska-Curie Action, BBSRC, ESPRC và Hiệp hội Hoàng gia.
