Các nhà khoa học đang thiết kế các tế bào có thể sản xuất thuốc, thực phẩm và vật liệu - và thậm chí cảm biến sinh học chẩn đoán. Nhưng trước tiên họ phải đồng thuận về một bộ công cụ kỹ thuật chung.

Từ quan điểm tiến hóa, nấm men không có công dụng sản xuất thuốc giảm đau. Nhưng bằng cách tái thiết kế bộ gen của vi khuẩn, Christina Smolke tại Đại học Stanford ở California đã khiến nó làm được điều đó. Smolke và nhóm của cô ấy đã biến men thành một nhà máy sinh học, với đường được sử dụng làm nguyên liệu thô, từ đó tạo ra loại thuốc giảm đau mạnh hydrocodone.

Công ty Nhật Bản Spiber Inc. đã lập trình lại vi khuẩn để tạo ra tơ nhện, vốn đang được sử dụng để may quần áo. Ảnh: Spiber Inc.

Kỳ tích này là một ví dụ điển hình của sinh học tổng hợp, trong đó các nhà khoa học lập trình lại các tế bào để tái tạo các sản phẩm được tìm thấy trong tự nhiên - hoặc thậm chí tạo ra các vật liệu chuyên biệt hơn mà một sinh vật tự nhiên thường không tạo ra.

Các nhà sinh học tổng hợp có nhiều tham vọng. Michael Jewett, một nhà sinh vật học tổng hợp tại Đại học Northwestern ở Evanston, Illinois, cho biết: “Tất cả chúng ta đều muốn tưởng tượng một thế giới mà chúng ta có thể điều chỉnh sinh học để sản xuất bất kỳ sản phẩm nào một cách tái tạo được, nhanh chóng và theo yêu cầu.” Các nhóm trên khắp thế giới đang biến đổi men, vi khuẩn và các tế bào khác để sản xuất nhựa, nhiên liệu sinh học, thuốc và thậm chí cả hàng dệt may, với mục tiêu tạo ra các nhà máy sản xuất rẻ hơn, đơn giản hơn và bền vững hơn so với các nhà máy công nghiệp. Ví dụ, công ty vật liệu sinh học Spiber Inc. ở Tsuruoka, Nhật Bản, đã lập trình lại vi khuẩn để tạo ra tơ nhện để sử dụng trong quần áo mùa đông nhẹ và bền.

Nhưng các nhà sinh học tổng hợp không chỉ đơn giản là sản xuất vật liệu - họ đang tạo ra các hệ thống phức tạp bằng cách kết nối các bộ phận di truyền vào bảng mạch. Cách tiếp cận này đã tạo ra nhiều loại công tắc sống và các cảm biến tinh vi. Ví dụ, nhóm của Martin Fussenegger tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH) ở Zurich đã chế tạo các cảm biến y sinh có thể phát hiện các chất chuyển hóa trong máu liên quan đến các loại bệnh và kích hoạt sản xuất các hợp chất điều trị. Ở chuột, những cảm biến sinh học này đã ngăn chặn thành công bệnh gút và béo phì, đồng thời điều trị bệnh da vảy nến.

Lĩnh vực non trẻ này đã tạo ra một số câu chuyện thành công, nhưng việc chế tạo và ghép các bộ phận di truyền lại với nhau hiện dựa nhiều vào phỏng đoán và có sự khó lường. Để lĩnh vực này phát triển, các nhà học thuật và các nhà công nghiệp phải đồng ý về một hộp công cụ gồm các bộ phận di truyền đáng tin cậy và các chiến lược tốt nhất để lắp ráp chúng.

Để tạo ra một sản phẩm nhân tạo, các nhà sinh học tổng hợp bắt đầu bằng cách chọn các bộ phận ADN trên máy tính và sản xuất chúng bằng các dụng cụ chuyên dụng. Sau đó, các bộ phận này có thể được đưa vào ADN của vi sinh vật và tế bào để lập trình lại chúng.

Nhờ việc chi phí giải trình tự ADN giảm nhanh, hiện nay chúng ta có một bộ sưu tập dữ liệu di truyền khổng lồ mà qua đó các nhà sinh học tổng hợp có thể sàng lọc để tìm ra các gen hữu ích. Christopher Voigt, một nhà sinh học tổng hợp tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Cambridge, cho biết: “Sinh học đã cho chúng ta một thư viện khổng lồ của rất nhiều thứ để lựa chọn.” Một cơ sở dữ liệu hàng đầu, GenBank của Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia Hoa Kỳ, chứa hơn 190 triệu chuỗi DNA từ 100.000 sinh vật.

Một trong số các bộ phận di truyền được sử dụng rộng rãi nhất mã hóa các enzym - protein cần thiết cho quá trình sản xuất. Ví dụ, để biến đổi glucose thành hydrocodone, nhóm của Smolke đã lấy 23 gen mã hóa enzyme từ các loài khác nhau và đưa chúng vào nấm men.

Với vô số đoạn ADN tổng hợp, các nhà sinh học tổng hợp có thể thỏa sức sáng tạo. Voigt rất hào hứng với các khả năng: “Điều thú vị về sinh học là có rất nhiều cách khác nhau để làm một thứ- và là một kỹ sư, bạn có thể chọn cách dễ thiết kế nhất”. Nhưng các bộ phận di truyền phải hoạt động một cách nhất quán nếu muốn thực hiện hóa việc thiết lập các quy trình công nghiệp. Richard Kitney, Chủ tịch Viện Hệ thống và Sinh học Tổng hợp tại Đại học Hoàng gia London, cho biết: “Một trong những vấn đề quan trọng đối với sinh học nói chung là thiếu khả năng tái tạo. Trong sinh học tổng hợp, điều này hoàn toàn không thể chấp nhận được - bạn phải có khả năng tái tạo nếu bạn muốn chuyển hóa thành công nghiệp.”

Nguồn: Nature - https://www.nature.com/articles/531401a