Tế bào tối thiểu nhân tạo: Tạo đủ sự sống cho nghiên cứu y học

• tác giả:
• tên tác giả

  Tầm nhìn lượng tử
• 23 Tháng mười hai, 2022

Tóm tắt thông tin chi tiết

Khám phá những điều thiết yếu của sự sống, các nhà khoa học đã giảm thiểu bộ gen để tạo ra các tế bào tối thiểu, tiết lộ các chức năng cốt lõi cần thiết cho sự sống. Những nỗ lực này đã dẫn đến những khám phá và thách thức bất ngờ, chẳng hạn như hình dạng tế bào không đều, thúc đẩy sự cải tiến và hiểu biết sâu hơn về các yếu tố di truyền thiết yếu. Nghiên cứu này mở đường cho những tiến bộ trong sinh học tổng hợp, với những ứng dụng tiềm năng trong phát triển thuốc, nghiên cứu bệnh tật và y học cá nhân hóa.

Bối cảnh tế bào tối thiểu nhân tạo

Các tế bào tối thiểu nhân tạo hoặc tối thiểu hóa bộ gen là một phương pháp sinh học tổng hợp thực tế để hiểu cách thức tương tác giữa các gen thiết yếu làm phát sinh các quá trình sinh lý quan trọng. Giảm thiểu bộ gen đã sử dụng phương pháp thiết kế-xây dựng-thử nghiệm-học hỏi dựa trên việc đánh giá và kết hợp các phân đoạn bộ gen mô-đun và thông tin từ quá trình gây đột biến gen (quá trình chuyển gen từ vật chủ này sang vật chủ khác) để giúp hướng dẫn việc xóa gen. Phương pháp này làm giảm sự sai lệch khi tìm kiếm các gen thiết yếu và cung cấp cho các nhà khoa học công cụ để thay đổi, xây dựng lại và nghiên cứu bộ gen cũng như chức năng của nó.

Năm 2010, các nhà khoa học tại Viện J. Craig Venter (JVCI) có trụ sở tại Hoa Kỳ thông báo rằng họ đã loại bỏ thành công DNA của vi khuẩn Mycoplasma capricolum và thay thế bằng DNA do máy tính tạo ra dựa trên một loại vi khuẩn khác, Mycoplasma mycoides. Nhóm đặt tên cho sinh vật mới của họ là JCVI-syn1.0, hay gọi tắt là 'Synthetic'. Sinh vật này là loài tự sao chép đầu tiên trên Trái đất bao gồm cha mẹ máy tính. Nó được tạo ra để giúp các nhà khoa học hiểu cách hoạt động của sự sống, bắt đầu từ tế bào trở lên. 

Vào năm 2016, nhóm đã tạo ra JCVI-syn3.0, một sinh vật đơn bào có ít gen hơn bất kỳ dạng sống đơn giản nào khác đã biết (chỉ có 473 gen so với 1.0 gen của JVCI-syn901). Tuy nhiên, sinh vật đã hành động theo những cách không thể đoán trước. Thay vì tạo ra các tế bào khỏe mạnh, nó tạo ra những tế bào có hình dạng kỳ lạ trong quá trình tự sao chép. Các nhà khoa học nhận ra rằng họ đã loại bỏ quá nhiều gen khỏi tế bào ban đầu, bao gồm cả những gen chịu trách nhiệm phân chia tế bào bình thường. 

Tác động gián đoạn

Quyết tâm tìm ra một sinh vật khỏe mạnh với ít gen nhất có thể, các nhà sinh lý học từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã phối lại mã JCVI-syn3.0 vào năm 2021. Họ đã có thể tạo ra một biến thể mới gọi là JCVI-syn3A. Mặc dù tế bào mới này chỉ có 500 gen, nhưng nó hoạt động giống một tế bào thông thường hơn nhờ công trình nghiên cứu của các nhà nghiên cứu. 

Các nhà khoa học đang làm việc để loại bỏ tế bào hơn nữa. Vào năm 2021, một sinh vật tổng hợp mới có tên là M. mycoides JCVI-syn3B đã tiến hóa trong 300 ngày, chứng minh rằng nó có thể đột biến trong các trường hợp khác nhau. Các kỹ sư sinh học cũng lạc quan rằng một sinh vật được sắp xếp hợp lý hơn có thể giúp các nhà khoa học nghiên cứu sự sống ở cấp độ cơ bản nhất và hiểu được quá trình tiến triển của bệnh tật.

Vào năm 2022, một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Illinois tại Urbana-Champaign, JVCI và Technische Universität Dresden có trụ sở tại Đức đã tạo ra một mô hình máy tính của JCVI-syn3A. Mô hình này có thể dự đoán chính xác sự tăng trưởng và cấu trúc phân tử của chất tương tự ngoài đời thực của nó. Tính đến năm 2022, đây là mô hình toàn ô hoàn chỉnh nhất mà máy tính đã mô phỏng.

Những mô phỏng này có thể cung cấp thông tin có giá trị. Dữ liệu này bao gồm các quá trình trao đổi chất, tăng trưởng và thông tin di truyền trong một chu kỳ tế bào. Phân tích cung cấp cái nhìn sâu sắc về các nguyên tắc của sự sống và cách các tế bào tiêu thụ năng lượng, bao gồm cả việc vận chuyển tích cực các axit amin, nucleotide và ion. Khi nghiên cứu tế bào tối thiểu tiếp tục phát triển, các nhà khoa học có thể tạo ra các hệ thống sinh học tổng hợp tốt hơn có thể được sử dụng để phát triển thuốc, nghiên cứu bệnh tật và khám phá các liệu pháp di truyền.

Ý nghĩa của các tế bào tối thiểu nhân tạo

Ý nghĩa rộng hơn của sự phát triển của các tế bào tối thiểu nhân tạo có thể bao gồm: 

• Nhiều sự hợp tác toàn cầu hơn để tạo ra các hệ thống sự sống đơn giản nhưng hoạt động hiệu quả cho nghiên cứu.
• Tăng cường học máy và sử dụng mô hình máy tính để lập bản đồ các cấu trúc sinh học, chẳng hạn như tế bào máu và protein.
• Sinh học tổng hợp tiên tiến và lai giữa sinh vật máy móc, bao gồm robot cơ thể trên chip và người máy sống. Tuy nhiên, những thí nghiệm này có thể nhận được những lời phàn nàn về đạo đức từ một số nhà khoa học.
• Một số công ty công nghệ sinh học và dược phẩm sinh học đầu tư mạnh vào các sáng kiến ​​sinh học tổng hợp để đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc và liệu pháp.
• Tăng cường đổi mới và khám phá trong chỉnh sửa gen khi các nhà khoa học tìm hiểu thêm về gen và cách chúng có thể được điều khiển.
• Tăng cường các quy định về nghiên cứu công nghệ sinh học để đảm bảo thực hành đạo đức, bảo vệ tính toàn vẹn khoa học và niềm tin của công chúng.
• Sự xuất hiện của các chương trình giáo dục và đào tạo mới tập trung vào sinh học tổng hợp và các dạng sống nhân tạo, trang bị cho thế hệ nhà khoa học tiếp theo những kỹ năng chuyên môn.
• Chuyển đổi chiến lược chăm sóc sức khỏe sang y học cá nhân hóa, sử dụng tế bào nhân tạo và sinh học tổng hợp để điều trị và chẩn đoán phù hợp.

Các câu hỏi cần xem xét

• Nếu bạn làm việc trong lĩnh vực sinh học tổng hợp, những lợi ích khác của các tế bào tối thiểu là gì?
• Làm thế nào các tổ chức và cơ quan có thể làm việc cùng nhau để thúc đẩy sinh học tổng hợp?