Các nhà khoa học đã phát triển những tế bào đầu tiên có thể tạo ra các polyme nhân tạo từ các khối xây dựng không có trong tự nhiên, bằng cách làm theo hướng dẫn mà các nhà nghiên cứu đã mã hóa trong gen của họ.
Nghiên cứu, dẫn đầu bởi các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử của Hội đồng Nghiên cứu Y khoa (MRC), ở Cambridge, Vương quốc Anh, cũng phát hiện ra bộ gen tổng hợp khiến vi khuẩn hoàn toàn kháng lại sự lây nhiễm của vi rút.
Các nhà khoa học cho biết nghiên cứu của họ có thể dẫn đến sự phát triển của các polyme mới – các phân tử lớn được tạo thành từ nhiều đơn vị lặp lại, chẳng hạn như protein, chất dẻo và nhiều loại thuốc bao gồm cả thuốc kháng sinh – và giúp việc sản xuất thuốc sử dụng vi khuẩn trở nên dễ dàng hơn.
>> Tham khảo: Máy dò hồng ngoại thu nhỏ.
Nghiên cứu được công bố hôm nay trên tạp chí Science, được xây dựng dựa trên công trình đột phá trước đó của nhóm khi họ phát triển các kỹ thuật mới vào năm 2019 để tạo ra bộ gen tổng hợp lớn nhất từ trước đến nay — xây dựng toàn bộ bộ gen của vi khuẩn Escherichia coli (E. coli) từ đầu.
Sử dụng quá trình tạo protein tự nhiên của tế bào
Mục tiêu của các nhà khoa học là sử dụng công nghệ mới của họ để tạo ra tế bào đầu tiên có thể lắp ráp các polyme hoàn toàn từ các khối xây dựng không có trong tự nhiên.
Protein là một loại polyme, vì vậy các nhà khoa học nhằm mục đích tạo ra polyme nhân tạo bằng cách khai thác quá trình tạo protein tự nhiên của tế bào.
Mã di truyền hướng dẫn tế bào cách tạo ra protein, được xây dựng bằng cách nối các chuỗi khối xây dựng tự nhiên lại với nhau, được gọi là axit amin.
Mã di truyền trong DNA được tạo thành từ bốn cơ sở, được biểu thị bằng các chữ cái: A, T, C và G. Bốn chữ cái trong DNA được ‘đọc’ theo nhóm ba chữ cái — ví dụ ‘TCG’ — đó là được gọi là ‘codon’.
Mỗi codon yêu cầu tế bào thêm một axit amin cụ thể vào chuỗi — nó thực hiện điều này thông qua các phân tử gọi là ‘tRNA’. Mỗi codon có một tRNA cụ thể nhận ra nó và bổ sung axit amin tương ứng, ví dụ: tRNA nhận ra codon ‘TCG’, mang axit amin serine.
>> Tham khảo: Phát triển năng lượng cho Châu Phi.
Với bốn chữ cái trong nhóm ba chữ cái, có 64 tổ hợp chữ cái có thể có; tuy nhiên, chỉ có 20 loại axit amin tự nhiên khác nhau mà các tế bào thường sử dụng. Vì vậy, một số codon khác nhau có thể đồng nghĩa — chúng đều mã hóa cho cùng một axit amin — ví dụ: TCG, TCA, AGC và AGT đều mã hóa serine.
Ngoài ra còn có các codon báo cho tế bào biết thời điểm ngừng tạo protein, chẳng hạn như TAG và TAA.
Viết lại toàn bộ bộ gen
Vào năm 2019, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử MRC đã tạo ra toàn bộ bộ gen đầu tiên được tổng hợp từ đầu cho vi khuẩn thường được nghiên cứu, E. coli, họ cũng đã tận dụng cơ hội để đơn giản hóa bộ gen của nó.
Họ đã thay thế một số codon bằng các từ đồng nghĩa của chúng: họ loại bỏ mọi phiên bản của TCG và TCA và thay thế chúng bằng các từ đồng nghĩa AGC và AGT.
Họ cũng loại bỏ mọi phiên bản của TAG codon ‘dừng’ và thay thế nó bằng từ đồng nghĩa TAA.
Các vi khuẩn biến đổi không còn codon TCG, TCA và TAG trong bộ gen của chúng, nhưng chúng vẫn có thể tạo ra các protein bình thường và sống và phát triển.
Kháng virus
Giờ đây, trong nghiên cứu mới nhất của họ, các nhà khoa học đã sửa đổi thêm vi khuẩn để loại bỏ các phân tử tRNA nhận diện codon TCG và TCA. Điều này có nghĩa là — ngay cả khi có các codon TCG hoặc TCA trong mã di truyền — tế bào không còn phân tử có thể đọc các codon đó nữa.
>> Tham khảo: Thỏa thuận Paris – cần có phương pháp đo lường tốt hơn.
Điều này gây tử vong cho bất kỳ loại vi-rút nào cố gắng lây nhiễm tế bào, bởi vì vi-rút nhân lên bằng cách đưa bộ gen của chúng vào tế bào và chiếm quyền điều khiển bộ máy của tế bào. Bộ gen của vi-rút vẫn chứa nhiều codon TCG, TCA và TAG, nhưng vi khuẩn biến đổi đang thiếu các tRNA để đọc các codon này.
Khi bộ máy trong vi khuẩn biến đổi cố gắng đọc bộ gen của vi rút, nó sẽ thất bại mỗi khi tiếp cận codon TCG, TCA hoặc TAG.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã lây nhiễm vi khuẩn của họ bằng một hỗn hợp virus. Vi khuẩn bình thường chưa được sửa đổi đã bị giết bởi vi-rút, nhưng vi khuẩn được sửa đổi có khả năng chống nhiễm trùng và sống sót.
Làm cho vi khuẩn kháng vi-rút có thể làm cho việc sản xuất một số loại thuốc trở nên đáng tin cậy hơn và rẻ hơn. Nhiều loại thuốc – ví dụ, thuốc protein, chẳng hạn như insulin, và vắc-xin tiểu đơn vị protein và polysacarit – được sản xuất bằng vi khuẩn đang phát triển có chứa các hướng dẫn để sản xuất thuốc.
Giáo sư Jason Chin, từ Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử MRC, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: “Nếu một loại vi rút xâm nhập vào các thùng vi khuẩn được sử dụng để sản xuất một số loại thuốc thì nó có thể phá hủy cả lô.
Các tế bào vi khuẩn biến đổi của chúng tôi có thể khắc phục vấn đề này bằng cách hoàn toàn kháng virus. Bởi vì virus sử dụng mã di truyền đầy đủ, vi khuẩn biến đổi sẽ không thể đọc được gen của virus.”
Nhà máy sống cho polyme tổng hợp
Bằng cách tạo ra vi khuẩn có bộ gen tổng hợp không sử dụng một số codon nhất định, các nhà nghiên cứu đã giải phóng các codon đó để sử dụng cho các mục đích khác, chẳng hạn như mã hóa cho các khối xây dựng tổng hợp, được gọi là monome.
Giáo sư Chin cho biết: “Hệ thống này cho phép chúng tôi viết một gen mã hóa các hướng dẫn để tạo ra polyme từ các monome không xảy ra trong tự nhiên.
“Những vi khuẩn này có thể được biến thành những nhà máy tái tạo và có thể lập trình để tạo ra nhiều loại phân tử mới với các đặc tính mới, có thể mang lại lợi ích cho công nghệ sinh học và y học, bao gồm cả việc tạo ra các loại thuốc mới, chẳng hạn như thuốc kháng sinh mới.”
“Chúng tôi muốn sử dụng những vi khuẩn này để khám phá và xây dựng các loại polyme tổng hợp dài có thể gấp lại thành cấu trúc và có thể tạo thành các loại vật liệu và thuốc mới. Chúng tôi cũng sẽ nghiên cứu các ứng dụng của công nghệ này để phát triển các loại polyme mới, chẳng hạn như nhựa phân hủy sinh học, mà có thể đóng góp cho một nền kinh tế sinh học tuần hoàn.”
Họ đã thiết kế vi khuẩn để tạo ra các tRNA kết hợp với các đơn phân nhân tạo, giúp nhận ra các codon mới có sẵn (TCG và TAG).
>> Tham khảo: Tổ hợp bộ gen mới cho giống lúa mì Fielder.
Họ đã chèn các trình tự di truyền với các chuỗi codon TCG và TAG vào DNA của vi khuẩn. Chúng được đọc bởi các tRNA đã thay đổi, tập hợp các chuỗi đơn phân tổng hợp theo trình tự được xác định bởi trình tự codon trong DNA.
Các tế bào được lập trình để xâu chuỗi các đơn phân lại với nhau theo các thứ tự khác nhau bằng cách thay đổi thứ tự của các codon TCG và TAG trong trình tự gen.
Các polyme bao gồm các monome khác nhau cũng được tạo ra bằng cách thay đổi các monome nào được ghép nối với các tRNA.
Các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra các polyme gồm tối đa tám monome được xâu chuỗi lại với nhau. Họ nối các đầu của các polyme này lại với nhau để tạo ra các chu trình lớn — một loại phân tử tạo thành cơ sở của một số loại thuốc, chẳng hạn như một số loại thuốc kháng sinh và thuốc trị ung thư.
Trong nghiên cứu này, các monome tổng hợp được liên kết với nhau bằng cùng một liên kết hóa học liên kết các axit amin với nhau trong protein, nhưng các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu cách mở rộng phạm vi liên kết có thể được sử dụng trong các polyme mới.
Tiến sĩ Megan Dowie, trưởng khoa y tế phân tử và tế bào tại Hội đồng Nghiên cứu Y khoa, đơn vị tài trợ cho nghiên cứu, cho biết: “Công trình tiên phong của Tiến sĩ Chin trong việc mở rộng mã di truyền là một ví dụ thực sự thú vị về giá trị của cam kết lâu dài của MRC đối với khoa học khám phá. . Nghiên cứu như thế này, trong sinh học tổng hợp và kỹ thuật, có tiềm năng to lớn để tạo ra tác động lớn trong dược phẩm sinh học và các môi trường công nghiệp khác.”
