Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Một số các công trình nghiên cứu về tổng hợp bộ gen sinh vật nhân chuẩn tổng hợp hoàn toàn đầu tiên bằng cách sử dụng Saccharomyces cerevisiae, hay men làm bánh thông thường, mô hình trong phòng thí nghiệm, được một tập đoàn nghiên cứu quốc tế công bố trên tạp chí Cell and Cell Genomics. Các bài báo là các công bố của một nhóm các nhà khoa học đang cùng thực hiện dự án Bộ gen nấm men tổng hợp (gọi tắt là Sc2.0), một dự án đầy tham vọng về di truyền sinh học.

Đến nay, các nhà khoa học Sc2.0 đã tổng hợp và gỡ lỗi thành công tất cả 16 nhiễm sắc thể S. cerevisiae bản địa. Hiện tại, họ đã kết hợp hơn bảy nhiễm sắc thể tổng hợp này vào trong một tế bào nấm men duy nhất và tạo ra một chủng biến đổi có hơn 50% DNA tổng hợp có thể tồn tại và tái tạo giống như nấm men hoang dã. Chủng nấm men tổng hợp một phần này được mô tả chi tiết hơn trên tạp chí Cell trong bài báo có tựa đề “Gỡ lỗi và hợp nhất nhiều nhiễm sắc thể tổng hợp bộc lộ các tương tác di truyền tổ hợp”.

Từ hình ảnh hiển vi điện tử của chủng nấm men syn6.5 cho thấy chúng có khoảng 31% DNA tổng hợp. Jef Boeke, tiến sĩ, nhà sinh học tổng hợp tại Đại học New York Langone Health, là tác giả và lãnh đạo của dự án Sc2.0 cho biết: “Chúng tôi quyết định rằng điều quan trọng là phải tạo ra thứ gì đó được biến đổi rất nhiều so với thiết kế của tự nhiên,” và “Mục đích bao quát của chúng tôi là tạo ra một loại nấm men có thể dạy chúng ta về sinh học mới.”

Với mục tiêu đó, trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã loại bỏ các đoạn DNA không mã hóa và các yếu tố trùng lập, đồng thời thêm các đoạn DNA mới để giúp phân biệt dễ dàng giữa gen tổng hợp và gen bản địa. Họ cũng tạo được một bộ đa dạng tích hợp có tên là “SCRaMbLE” để xáo trộn thứ tự các gen bên trong và giữa các nhiễm sắc thể. Thông tin chi tiết về trình tạo đa dạng được cung cấp trong một bài báo riêng được xuất bản trên tạp chí Cell Genomics có tiêu đề “Phân tích kiểu hình lệch bội bằng cách xây dựng nhiễm sắc thể Sc2.0 VII và nấm men tổng hợp SCRaMbLEing”.

Bộ gen của nấm men được tổ chức thành 16 nhiễm sắc thể nên trước tiên, các nhà nghiên cứu đã tập hợp từng nhiễm sắc thể một cách độc lập để tạo ra 16 chủng nấm men tổng hợp một phần, mỗi chủng chứa 15 nhiễm sắc thể tự nhiên và một nhiễm sắc thể tổng hợp. Để kết hợp các nhiễm sắc thể tổng hợp này trong một tế bào nấm men duy nhất, nhóm của Boeke về cơ bản đã lai giống các chủng nấm men tổng hợp một phần khác nhau và sau đó tìm kiếm thế hệ con cháu của chúng để tìm những cá thể mang cả hai nhiễm sắc thể tổng hợp.

Dần dần họ hợp nhất tất cả các nhiễm sắc thể được tổng hợp trước đó - sáu nhiễm sắc thể đầy đủ và một nhánh nhiễm sắc thể - trong một tế bào duy nhất. Chủng nấm men thu được có hơn 31% tổng hợp, có hình thái bình thường và chỉ có những khiếm khuyết nhỏ về tăng trưởng so với loại nấm men hoang dã. Là một phần của quá trình hợp nhất, các nhà nghiên cứu cũng xác định và sửa chữa một số khiếm khuyết di truyền cũng như tăng cường khả năng hoạt động của nấm men bằng cách chỉnh sửa CRISPR/Cas9.

Để chuyển các nhiễm sắc thể cụ thể giữa các chủng nấm men một cách hiệu quả, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp gọi là thay thế nhiễm sắc thể được thảo luận trong một bài báo khác trong công trình nghiên cứu. Phương pháp này được thảo luận trong công bố trên tạp chí Cell Genomics với tiêu đề “Hậu quả của khiếm khuyết năng lực liên quan đến enzyme telomase và công nghệ thay thế nhiễm sắc thể ở các chủng synIX của nấm men”. Để chứng minh giả thuyết, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp sự thay thế nhiễm sắc thể để chuyển nhiễm sắc thể lớn nhất mới được tổng hợp, tạo ra một tế bào nấm men có 7,5 nhiễm sắc thể tổng hợp, tỷ lệ tổng hợp hơn 50%.

Các nhà nghiên cứu cũng thực hiện các bước để tăng tính ổn định của bộ gen bằng cách tạo ra một nhiễm sắc thể hoàn toàn mới không tìm thấy ở bất kỳ đâu trong tự nhiên được gọi là nhiễm sắc thể tRNA. Nỗ lực tạo ra nhiễm sắc thể hoàn toàn tổng hợp denovo đầu tiên này được dẫn đầu bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ sinh học Manchester thuộc Đại học Manchester.

Tân nhiễm sắc thể này được thiết kế và sản xuất bằng trí tuệ nhân tạo, robot và các kỹ thuật đo lường. Mặc dù là tổng hợp nhưng nó bao gồm các đặc điểm của nhiễm sắc thể nhân chuẩn điển hình bao gồm tâm động, telome và nguồn gốc sao chép. Nó được sử dụng để chứa tất cả 275 gen nấm men tRNA hạt nhân và cuối cùng những gen này sẽ được đưa vào nấm men để tạo thành nấm men tổng hợp hoàn toàn. Thông tin chi tiết về tân nhiễm sắc thể nấm men được mô tả trên tạp chí Cell với tiêu đề “Thiết kế, cấu trúc và mô tả đặc tính chức năng của tân nhiễm sắc thể tRNA trong nấm men”.

Viết lại bộ gen nấm men từ đầu không chỉ là một nghiên cứu thú vị. Nấm men là vật liệu chính của công nghệ sinh học công nghiệp, nơi chúng được sử dụng thường xuyên để sản xuất số lượng lớn hóa chất và sản phẩm sinh học có giá trị một cách hiệu quả, kinh tế và bền vững. Nếu dự án này thành công, các nhà khoa học có thể tạo ra các chủng nấm men có năng suất cao hơn, nhanh hơn và chịu được điều kiện khắc nghiệt hơn. Ngoài ra, quá trình viết bộ gen sẽ làm sáng tỏ các câu hỏi cơ bản liên quan đến cách tổ chức và phát triển bộ gen.

Một số bối cảnh rộng hơn của sáng kiến này và ý nghĩa của nó đối với nghiên cứu và sử dụng công nghiệp được hỗ trợ bởi sinh học tổng hợp đã được thảo luận trong một bài báo có tiêu đề “Sự trỗi dậy của nấm men tổng hợp: Lập biểu đồ cho các ứng dụng mới” và một bài báo khác có tiêu đề “Tiêu điểm về hợp tác toàn cầu trong tập đoàn nấm men Sc2.0.”

Bước kế tiếp của nhóm là tích hợp các nhiễm sắc thể tổng hợp còn lại. Patrick Yizhi Cai, Tiến sĩ, giáo sư chủ tịch về gen tổng hợp tại Đại học Manchester và là tác giả cấp cao của hai bài báo trong công trình nghiên cứu, cho biết: “Thông qua việc xây dựng bộ gen tổng hợp, chúng tôi mong muốn hiểu được các nguyên tắc cơ bản đầu điên của bộ gen”. “Nhóm nghiên cứu hiện đã viết lại hệ điều hành của nấm men sinh sản vô tính, mở ra một kỷ nguyên mới của kỹ thuật sinh học – chuyển từ việc thiết kế, sửa chữa một số ít gen sang thiết kế de novo và xây dựng toàn bộ bộ gen”.

Quy mô hợp tác trong dự án cũng là một ấn tượng không kém. Đây là một “dự án hấp dẫn, có tính liên ngành cao”, “kết hợp nghiên cứu cơ bản để mở rộng hiểu biết của chúng ta về các nguyên tắc cơ bản của bộ gen, đồng thời đặt những viên đá đầu tiên mở  đường cho các ứng dụng trong tương lai trong công nghệ sinh học và thúc đẩy sự phát triển công nghệ”, Daniel Schindler, Tiến sĩ, một trong những tác giả và nhóm lãnh đạo chính tại Viện Vi sinh vật trên cạn Max Planck và Trung tâm Vi sinh tổng hợp, cho biết thêm.

Bước tiếp theo là tích hợp các nhiễm sắc thể tổng hợp còn lại để tạo thành bộ gen hoàn chỉnh. “Chúng ta hiện chỉ còn cách xa mục tiêu là có tất cả 16 nhiễm sắc thể trong một tế bào”, Boeke cho biết. “Tôi thích gọi đây là sự kết thúc của sự khởi đầu, mà không phải là sự bắt đầu của sự kết thúc, bởi vì tại thời điểm chúng ta thực sự có thể bắt đầu xáo trộn bộ nhiễm sắc thể đó và sản xuất nấm men, và chúng có thể làm những điều gì đó mà chúng ta chưa từng thấy trước đây”.

Nguồn: https://www.genengnews.com/topics/omics/first-partly-synthetic-eukaryote-genome-created-in-the-lab/