Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Kobe và Đại học Chiba đã phát triển thành công một phương pháp linh hoạt và đơn giản để tạo ra các công tắc di truyền nhân tạo cho nấm men, một sinh vật nhân chuẩn mẫu.
Nhóm bao gồm Nhà nghiên cứu TOMINAGA Masahiro1, Phó Giáo sư ISHII Jun2 và Giáo sư KONDO Akihiko*3 (thuộc Trường Đại học Khoa học, Công nghệ và Đổi mới/Trung tâm Nghiên cứu Sinh học Kỹ thuật), và Giáo sư UMNO Daisuke et al. (của Khoa Kỹ thuật Đại học Chiba).
>> Tham khảo: Giữ điện giá cả phải chăng trên đường cao tốc sạc không dây.
Công tắc gen là mạng điều hòa gen kiểm soát biểu hiện gen. Các nhà nghiên cứu đã thiết lập một nền tảng để tạo ra các công tắc di truyền có thể áp dụng cho sự phát triển của các tế bào nấm men tinh vi, được kiểm soát nhân tạo để tạo ra một lượng lớn các hợp chất có giá trị. Những kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí ‘Nature Communications’ vào ngày 23 tháng 3 năm 2021.
*1 Nhà nghiên cứu Hiệp hội nghiên cứu công nghệ thiết kế gen hiệu quả cao (TRAHED).
*2 Sđd. Phó Giám đốc Trung tâm Kobe.
*3 Sđd. Giám đốc Trung tâm Kobe.
Nội dung chính:
Công tắc di truyền là cần thiết để tạo ra các chức năng mới một cách nhân tạo trong một sinh vật. Các công tắc này kiểm soát lượng protein được tạo ra bởi một gen (tức là biểu hiện gen (*1)) và thời gian sản xuất này.
Đã có sự chậm trễ trong việc phát triển các công tắc di truyền cho các sinh vật nhân chuẩn nói riêng, cũng như hạn chế đáng kể về số lượng gen có thể được kiểm soát cùng một lúc.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một nền tảng lựa chọn mới trong đó có thể đặt ngưỡng giới hạn. Điều này cho phép họ thành công trong việc tạo ra các công tắc di truyền nhân tạo, có chức năng cao cho nấm men có thể được sản xuất dễ dàng và linh hoạt.
Nền tảng được phát triển dự kiến sẽ có nhiều ứng dụng trong các tình huống yêu cầu kiểm soát chính xác mức độ biểu hiện và thời gian cho một số lượng lớn gen. Điều này bao gồm tối ưu hóa sự cân bằng của biểu hiện enzyme chuyển hóa trong việc xây dựng các tế bào để sản xuất các chất hữu ích có quá trình chuyển hóa nội bào phức tạp.
>> Tham khảo: Cánh quạt điều khiển dòng chảy ở cấp độ nano.
Bối cảnh nghiên cứu
Số lượng và loại gen mà một sinh vật sở hữu không chỉ xác định các chức năng sống của nó. Thời gian và số lượng protein được tạo ra bởi một gen (tức là biểu hiện gen) là những yếu tố khác được biết là dẫn đến những thay đổi đáng kể.
Trong lĩnh vực sinh học tổng hợp, những tiến bộ gần đây đã giúp tạo ra nhiều chức năng tế bào mới bằng cách kiểm soát nhân tạo sự biểu hiện của một số gen nhất định.
Công tắc gen là cần thiết để kiểm soát tốc độ và thời gian biểu hiện gen. Công tắc di truyền (Hình 1) là một hệ thống điều hòa bật hoặc tắt biểu hiện của một gen cụ thể để đáp ứng với một kích thích (hoặc cảm ứng) từ bên trong hoặc bên ngoài tế bào (ví dụ: sự hiện diện của một chất hóa học).
Do đó, các công tắc di truyền là một công cụ thiết yếu cho sinh học tổng hợp, nhằm mục đích thiết kế và xây dựng các chức năng tế bào một cách nhân tạo.
Nhiều công tắc di truyền đã được phát triển cho các sinh vật đơn bào, đơn giản (sinh vật nhân sơ) chẳng hạn như E. coli. Tuy nhiên, các hệ thống biểu hiện gen ở sinh vật nhân chuẩn, chẳng hạn như con người, thực vật và nấm men, phức tạp hơn.
Do đó, có sự chậm trễ trong việc phát triển các công tắc di truyền cho các sinh vật này. Mặc dù nấm men là một sinh vật nhân thực kiểu mẫu, nhưng những nỗ lực thiết kế các chức năng của tế bào của nó đã gặp phải những hạn chế lớn.
>> Tham khảo: Nồng độ CO2 tăng cao gây ra tình trạng thiếu khoáng chất ở thực vật.
Phương pháp nghiên cứu
Khi xây dựng các công tắc di truyền, rất khó dự đoán vị trí và cách thức thay đổi các công tắc để cho phép kiểm soát biểu hiện gen. Kỹ thuật phân tử tiến hóa là một phương pháp hữu ích để xác định điều này.
Phương pháp này liên quan đến việc tạo một thư viện các biến thể chuyển đổi gen bằng cách tạo đột biến ngẫu nhiên trong một phần hoặc toàn bộ chuyển đổi gen, sau đó chọn các biến thể thể hiện hiệu suất mong muốn.
Mặc dù có thể dễ dàng tạo ra một số lượng lớn các biến thể, nhưng các biến thể mong muốn trong số này phải được xác định nhanh chóng.
Một quá trình loại bỏ (chọn lọc) nhân tạo đã được thực hiện để chọn ra những tế bào còn lại khi biểu hiện gen bị ‘tắt’ và khi biểu hiện gen được ‘bật’ bởi một chất cảm ứng cụ thể. Tuy nhiên, nếu lựa chọn quá mạnh hoặc quá yếu, thì không thể chọn ra các biến thể tốt nhất.
Mặc dù cần phải chọn các biến thể chuyển đổi gen chức năng mạnh mẽ phù hợp ở cả trạng thái ‘bật’ và ‘tắt’, nhưng rất khó để dự đoán trước mức độ mạnh mẽ của lựa chọn.
Nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Kobe và Đại học Chiba đã thiết lập một hệ thống quy trình làm việc, theo đó họ có thể tạo song song các lựa chọn có cường độ khác nhau bằng cách thay đổi loại hoặc nồng độ của các hóa chất được sử dụng để lựa chọn.
Sau khi chọn một nhóm các biến thể, các nhà nghiên cứu đã cho từng biến thể tiếp xúc với một kích thích bên ngoài (chất cảm ứng) và phân tích mức độ kích hoạt biểu hiện gen này bằng cách quan sát sự thay đổi về mức độ ánh sáng phát ra từ GFP (protein huỳnh quang màu lục).
Điều này cho phép họ xác định lựa chọn phù hợp nhất, nói cách khác là dễ dàng xác định các biến thể chuyển đổi gen thể hiện mức hiệu suất cao.
Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã phát triển thành công ba công tắc di truyền mới có hiệu quả ngang với công tắc hoạt động tốt nhất được phát triển cho nấm men cho đến nay.
Bằng cách tích hợp ba công tắc di truyền này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra loại men có thể sinh tổng hợp sắc tố màu da cam (β-carotene) dưới sự kiểm soát của AND (nghĩa là chỉ có thể sản xuất ra-carotene nếu có mặt hai hợp chất hóa học cụ thể, DAPG và HSL).
>> Tham khảo: Chuyển đổi thông tin di truyền từ DNA sang protein: vai trò của mRNA.
Sự phát triển xa hơn
Phương pháp chọn lọc được phát triển bởi nhóm nghiên cứu này sẽ thúc đẩy sự phát triển của một loạt các công tắc di truyền cho nấm men, với các mức độ và đặc điểm hiệu suất khác nhau.
Điều này cũng sẽ dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng số lượng gen có thể được kiểm soát song song. Việc kết hợp các công tắc di truyền mới này sẽ giúp thiết kế các chức năng của tế bào một cách nhân tạo.
Ví dụ, điều này có thể đóng góp vào sự phát triển của các tế bào nấm men tinh vi, được điều chỉnh nhân tạo để sản xuất một lượng lớn các hợp chất hữu cơ hữu ích.
