Hotline 247
04 6662 6362
 
Hà Nội
0968 378 899
 
Hồ Chí Minh
01289 777 888

Tái lập trình mã di truyền của sinh vật sống

BioMedia

Một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi các nhà khoa học Đại học Y Harvard, Boston, Massachusetts vừa công bố thành tựu xa nhất của dự án viết lại bộ gen vi khuẩn, theo đó 3.8% cặp base của vi khuẩn E.coli đã được “viết lại” [4].

Các nhà khoa học đã thay thế 7 trong 64 codon di truyền – trình tự mã hóa cho axit amin – bằng các codon khác phiên mã thành phần tương tự. DNA sửa đổi được tổng hợp trong 55 mảnh, mỗi mảnh dài 50.000 cặp base. Tuy nhiên họ vẫn chưa ghép các mảnh này thành bộ gene E.coli hoàn chỉnh.

Dù sao thì đây vẫn là một bước tiến quan trọng trong công nghệ thiết kế sinh vật, là bước đầu để tạo ra sinh vật mang các đặc tính đặc biệt mới bao gồm cả kháng virus. George Church và các cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu của mình trên tờ Science ngày 19 tháng 8. Họ cũng chia sẻ thêm, nghiên cứu này là tiền đề cho dự án Viết lại bộ gene người (Human Genome Project – Write) với mục tiêu tổng hợp nhân tạo bộ gene người hoàn chỉnh.

Mã di truyền và phương pháp biến đổi

Để đạt được thành tựu ngày hôm nay, cần phải kể đến các nghiên cứu nền tảng mà Church và nhóm của ông đã thực hiện trong suốt những năm qua.

Như chúng ta đã biết, trong một gene mã hóa protein, cứ một cụm ba nucleotite được gọi là một bộ ba, hay codon, quy định loại axit amin tiếp theo được thêm vào chuỗi polypeptide hoặc báo hiệu dừng việc tổng hợp protein. Có 4 loại nucleotide khác nhau (A, T, G và C ở DNA hoặc A, U, G, C ở RNA) vì vậy ta có 64 codon bộ ba (AAA, AAT,… v.v). Nhưng vì chỉ có 20 loại axit amin nên có rất nhiều bộ ba có nhiệm vụ tương tự nhau, cùng mã hóa một loại axit amin (ví dụ CCC và CCG đều mã hóa proline,…) hoặc cùng báo hiệu dừng dịch mã (UAG, UAA và UGA).

Năm 2013, Church và các cộng sự đã công bố một nghiên cứu quan trọng với mục tiêu thay đổi chức năng của codon kết thúc UAG [5]. Phương pháp sử dụng trong nghiên cứu này có thể được tóm tắt như hình bên.

Prokaryote có 2 loại nhân tố giải phóng (release factor - RF) là RF1 và RF2, có vai trò nhận diện 3 loại codon kết thúc, đồng thời thúc đẩy sự thủy phân để tách chuỗi polypeptide ra khỏi phức hệ peptidy-tRNA vào giai đoạn cuối của dịch mã. UAG được nhận diện bởi RF1, UGA bởi RF2 và UAA được nhận diện bởi cả 2 nhân tố.

Các nhà khoa học đã tiến hành thay thế toàn bộ bộ ba UAG thành UAA, sau đó xóa bỏ nhân tố giải phóng RF1 (bằng cách xóa bỏ gen prfA mã hóa cho nhân tố này). UAG được viết lại vào bộ gen với chức năng mới quy định một axit amin nhân tạo.

Năm 2015, Church và các cộng sự đã tổng hợp thành công protein mong muốn bởi các axit amin nhân tạo mã hóa từ UAG [6].

Lần này, ngoài việc loại bỏ UAG ra khỏi bộ gen, nhóm của Church còn thay thế thêm 6 codon khác gồm 2 codon mã hóa arginine, 2 codon mã hóa leucine và 2 codon mã hóa serine bằng các bộ ba có vai trò tương tự.

Để làm được việc này nhóm ông cần thực hiện 62.000 thay đổi trên DNA, điều này khó có thể làm được thậm chí với kỹ thuật chỉnh sửa gen hiện đại nhất hiện nay là CRISPR. Thật may là giá thành tổng hợp DNA nhân tạo đã giảm trong vài năm trở lại đây, nên thay vì sửa đổi toàn bộ hệ gen trong một lần các nhà khoa học quyết định thiết kế gen trên máy tính và tổng hợp nhân tạo từng đoạn DNA ngắn khoảng 2000 bp.

Các đoạn DNA ngắn sau đó được nối lại thành 55 đoạn dài hơn, mỗi đoạn dài 50.000 bp. Bước cuối cùng là nối những đoạn này lại để tạo thành bộ gen E.coli hoàn chỉnh với hơn 4 triệu cặp base. Nhưng trước khi thực hiện công đoạn này, nhóm của Church phải kiểm tra xem liệu từng đoạn gen có hoạt động tốt hay không bằng cách chèn chúng vào vi khuẩn sống và xóa bỏ trình tự tương đương trong vi khuẩn. Đáng khích lệ là 91% các gen vẫn giữ nguyên chức năng, chỉ 13 trong 2229 gen xuất hiện đột biến gây chết.

Những thay đổi lớn

“Đây là minh chứng cho thấy kỹ thuật này về căn bản là khả thi,” Church nói.

“Giảm từ 64 xuống còn 57 codon là một thay đổi lớn so với những gì hiện hữu trong tự nhiên,” Farren Isaacs, một nhà sinh học tổng hợp tại Đại học Yale, New Haven, Conneticut, người đã làm việc với Church trong các nghiên cứu trước đây, nói. “Một bước tiến quan trọng chứng minh tính mềm dẻo của mã di truyền và khả năng mã hóa nên đặc điểm cũng như chức năng sinh học hoàn toàn mới từ bộ gen bị biến đổi”.

Từ nghiên cứu được công bố hồi năm ngoái cho thấy việc tái mã hóa lại các axit amin trong E.coli là hoàn toàn có thể, chủng E.coli được biến đổi mang các axit amin không được tìm thấy trong tự nhiên. Sinh vật tái lập trình như vậy có khả năng đề kháng cao với virus do không còn chứa các công cụ di truyền thông thường, phổ biến trong tất cả sinh vật khác mà virus sử dụng để tồn tại. Loại vi khuẩn này cũng chỉ có thể sinh trưởng phụ thuộc vào axit amin được cung cấp từ môi trường nuôi cấy, hạn chế nỗi lo rằng các sinh vật biến đổi gen có thể thoát ra khỏi phòng thí nghiệm và gây hại cho hệ sinh thái.

Mục tiêu cuối cùng nhóm của Church muốn hướng đến là tạo nên các loại gia súc và tế bào gốc người có khả năng kháng tất cả các loại virus. Các tế bào này có thể được sử dụng để sản xuất vaccine và cấy ghép. “Rất khó để làm cho con người đề kháng mọi virus, ung thư và lão hóa” Church nói, “nhưng chúng ta có thể tạo ra mô và nội tạng mang các đặc tính vượt trội này”.

Chúng ta có đầy đủ công nghệ

Thay đổi mã di truyền là một bài toán khó, chúng ta không thể giải được nó nếu ở trong điều kiện của chỉ một vài năm trước đây. Tốc độ hoàn thiện kỹ thuật tổng hợp DNA nhân tạo đã gia tăng chóng mặt trong thập kỉ qua, là cơ sở cho nhiều dự án kỹ thuật – di truyền đầy tham vọng.

“Dự án đã đạt đến quy mô chưa từng có; hệ gen tổng hợp hoàn toàn lớn nhất và mang nhiều chức năng biến đổi nhất”, theo Marc Lajoie; một nhà sinh học tổng hợp cùng làm việc với Church, hiện đang công tác tại Đại học Washington, Seattle.

Các nhà khoa học dẫn đầu bởi doanh nhân gen Craig Venter của Viện J. Craig Venter tại La Jolla, California, cũng vừa công bố hồi tháng ba rằng họ đã tổng hợp thành công một bộ gen nhân tạo dựa trên bộ gen vi khuẩn, theo đó tất cả các gen không cần thiết đều bị loại bỏ. Tuy nhiên, kích thước bộ gen này vẫn nhỏ hơn của E.coli.

Church và các cộng sự vẫn còn phải nối các đoạn DNA E.coli tái mã hóa của mình thành bộ gen hoàn chỉnh. Sau đó họ sẽ tiếp tục kiểm tra xem liệu sinh vật tái tổ hợp có khả năng sống hay không. Ông không biết chính xác việc này sẽ mất bao lâu nhưng theo ước tính nó có thể kéo dài từ 4 tháng đến 4 năm.

Cần một nỗ lực lớn, nhưng có vẻ họ sẽ làm được”, Isaacs nói.

Tài liệu tham khảo:

  1. Erika Check Hayden, “Radically rewritten bacterial genome unveiled”, Nature, 18 August 2016.

  2. Michael Le Page, “Synthetic supermicrobe will be resistant to all known viruses”, New Scienctist, 18 August 2016.

  3. John Bohannon, ”Biologists are close to reinventing the genetic code of life”, Sciencemag, 18 August 2016.

  4. Ostrov, Nili, et al. "Design, synthesis, and testing toward a 57-codon genome", Science, 353.6301 (2016): 819-822.

  5. Lajoie, Marc J., et al. "Genomically recoded organisms expand biological functions", Science, 342.6156 (2013): 357-360.

  6. Mandell, Daniel J., et al. "Biocontainment of genetically modified organisms by synthetic protein design", Nature, 518.7537 (2015): 55-60.

 Lược dịch và tổng hợp Meo Meo

Biên tập Biomedia Việt Nam

 

Các bài viết cùng chủ đề

Tái lập trình mã di truyền của sinh vật sống

Một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi các nhà khoa học Đại học Y Harvard, Boston, Massachusetts vừa công bố thành tựu xa nhất của...