Tế bào nhân tạo đầu tiên có khả năng phát triển và phân chia như tế bào thường

Lịch sử phát triển tế bào nhân tạo được bắt đầu với nghiên cứu của tác giả thuộc Đại học McGill, Canada, lúc này chỉ mới đơn giản là một vi nang bọc lấy dịch protein có khả năng bán thấm (1). Sau đó đã có nhiều tiến triển đáng kể trong lĩnh vực tổng hợp tế bào nhân tạo.

Năm 2016, tế bào sống đơn giản nhất với chỉ 473 gene đã được tạo ra, tuy vậy, đây chỉ mới là một cơ thể đơn bào tương tự như vi khuẩn, nhưng lại hành xử một cách bất thường trong quá trình sinh trưởng và phân chia, sinh ra các tế bào con với kích thước và hình dạng ngẫu nhiên (2).

Hiện nay, các nhà khoa học đã nhận biết 7 gen có thể thêm vào để có thể kiểm soát tế bào, từ đó giúp tế bào phân chia theo dạng cầu một cách đồng nhất. Đây là thành tựu thu được qua sự hợp tác giữa Viện J. Craig Venter (JCVI, Hoa Kỳ), Viện Tiêu chuẩn và Kỹ Thuật Quốc gia Hoa Kỳ (National Institute of Standards and Technology – NIST), và Massachusetts Institute of Technology (MIT) Center for Bits and Atoms, kết quả được công bố trên tạp chí Tế bào (3).

Nhận biết các gen này là một bước quan trọng nhằm hướng đến tổng hợp tế bào với các ứng dụng hữu ích. Các tế bào như vậy có thể hoạt động như một nhà máy thu nhỏ có thể sản xuất thuốc, thực phẩm và năng lượng; phát hiện bệnh và sản xuất thuốc để điều trị trong khi vẫn sống trong cơ thể vật chủ, và có thể đóng vai trò như một vi máy tính. Tuy nhiên, để thiết kế và tạo nên tế bào thực hiện một cách chính xác những gì chúng ta muốn thì cần có một danh sách những phần tử thiết yếu và hiểu được cách các phần này liên kết với nhau như thế nào.

Các nhà khoa học tại JCVI đã tạo nên tế vào đầu tiên với bộ gen tổng hợp vào năm 2010 (4). Tế bào này không phải nhân tạo hoàn toàn mà sử dụng tế bào vi khuẩn mycoplasma. DNA trong các tế bào này bị phá hủy và thay thế bằng DNA thiết kế trên máy tính và tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Đây được xem là cơ thể sống đầu tiên trên thế giới có một bộ máy di truyền hoàn toàn nhân tạo, với tên gọi JCVI-syn 1.0. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu luôn tìm cách để loại bỏ dần các thành phần di truyền nhằm tạo ra một tế bào với bộ gen tối thiểu. Loại tế bào có tên gọi JCVI-syn3.0 tạo ra năm 2016 như đã nêu trên, dường như quá đơn giản, do đó lại được thêm vào 19 gen, bao gồm 7 gen cần thiết cho sự phân chia một cách bình thường, lúc này được đặt tên là JCVI-syn3A có bộ gen dưới 500 gen. Để dễ hình dung, vi khuẩn E. coli thường sống trong phân có khoảng 4.000 gen, và tế bào người khoảng 30.000 gen.

Để nhận biết được 7 gen này, các nhà nghiên cứu đã mất nhiều năm, tạo ra hàng loạt chủng biến thể bằng cách thêm và loại bỏ gen một cách hệ thống, sau đó theo dõi xem những điều chỉnh này ảnh hưởng như thế nào đến sinh trưởng và phân chia của tế bào.

Đo lường sự thay đổi này dưới kính hiển vi cũng là một thử thách không nhỏ, bởi tế bào phải còn sống để quan sát. Sử dụng kính hiển vi để quan sát tế bào chết khá đơn giản, trong khi theo dõi tế bào sống khó hơn nhiều. Riêng việc giữ tế bào tại một vị trí cố định dưới kính hiển vi đã là đặc biệt khó do kích thước của tế bào và nó cũng rất dễ bị tổn thương. Hơn một trăm tế bào như vậy có thể nằm gọn trong một tế bào E. coli và chỉ một lực rất nhỏ cũng đủ để làm vỡ tế bào.

Để giải quyết việc này, một thiết bị nuôi cấy vi dòng (microfluidic chemostat), tương tự như một bể cá mini, được thiết kế để giúp tế bào có thể được nuôi dưỡng và quan sát dưới kính hiển vi quang học. Kết quả ghi nhận dưới dạng video stop-motion có thể cho thấy tế bào tổng hợp phát triển và phân chia.

Hình ảnh dưới đây cho thấy tế bào JCVI-Syn3A phân chia tương đối đồng nhất về kích thước và hình dạng.

Nguồn: E. Strychalski/NIST and J. Pelletier/MIT

Bằng những video như vậy, các nhà nghiên cứu có thể quan sát tác động từ những thay đổi lên bộ gen, nếu loại bỏ một gen nào đó gây ra sự xáo trộn, họ sẽ lại đưa nó vào và thử đoạn gen khác. Mục tiêu của nghiên cứu là biết chức năng của từng gen để từ đó có thể phát triển một mô hình hoàn chỉnh về cách thức hoạt động của tế bào. Đến nay, mục tiêu này vẫn chưa đạt được. Trong số bảy gen đưa vào, người ta biết rằng chỉ có hai gen là giúp tế bào phân chia bình thường, còn vai trò của năm gen còn lại vẫn chưa rõ.

“Sự sống vẫn còn là một ẩn số”. Nhưng với những tế bào tổng hợp đơn giản này, các nhà khoa học đang dần có một cái nhìn rõ nét hơn về những gì đang diễn ra bên trong.

Tổng hợp và lược dịch

Võ Quốc Hùng

Link bài gốc:

https://www.nist.gov/news-events/news/2021/03/scientists-create-simple-synthetic-cell-grows-and-divides-normally

Tài liệu tham khảo

1. Chang TMS. Semipermeable Microcapsules. Science. 1964 Oct 23;146(3643):524–5.

2. Service R. Synthetic microbe lives with fewer than 500 genes. Science [Internet]. 2016 Mar 24 [cited 2021 Apr 1]; Available from: 10.1126/science.aaf9829

3. Pelletier JF, Sun L, Wise KS, Assad-Garcia N, Karas BJ, Deerinck TJ, et al. Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell. Cell. 2021 Mar;S0092867421002932.

4. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, Noskov VN, Chuang R-Y, Algire MA, et al. Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science. 2010 Jul 2;329(5987):52–6.