Trong vài năm gần đây đã xuất hiện một diễn tiến khoa học tuy còn trong giai đoạn thầm lặng, phôi thai, nhưng đang hứa hẹn mang lại một cuộc cách mạng mới trong sinh học bởi tiềm năng ứng dụng lớn lao trong xã hội, gồm việc chế tạo dược phẩm, tạo năng lượng và xử lý môi trường. Ðó là sự ra đời của bộ môn Synthetic Biology (Sinh học tổng hợp) hay còn gọi là Constructive Biology (Sinh học kiến tạo), dựa trên kỹ thuật tổng hợp và điều hòa gene. Trong bài này từ ngữ Synthetic Biology sẽ được viết tắt là SB.

Ðịnh Hướng và Kỹ Thuật:
SB là một nhánh mới của sinh học hiện đại và là một ứng dụng cao điểm của kỹ thuật gene (genetic engineering) đã được triển khai từ đầu thập niên 1980. Trong kỹ thuật gene cổ điển này, người ta tách dòng các gene và sau đó chuyển vào các tế bào (E. coli, nấm men hay tế bào động, thực vật) nhằm mục đích tổng hợp protein và tìm hiểu bản chất sinh hóa (biochemical properties) của chúng. Các tính chất chức năng (functional properties) của gene được nghiên cứu bằng cách chuyển gene vào sinh vật, thường là chuột, dùng phương pháp gắn gene (knock-in) hay loại trừ gene (knock-out) để hoạt hóa hay bất hoạt gene. Các phương pháp này từng là nền tảng của công nghệ sinh học (biotechnology) trong gần 3 thập niên qua ở nhiều nước trên thế giới.
SB phát sinh từ ứng dụng các thành quả sinh học hiện đại để tiến lên một bình diện cao hơn (paradigm shift). SB nhằm tái tạo (reconstitute) hệ thống gene của chu trình sinh học (biological pathway) tế bào, hoặc tái tạo bộ gene (genome) của virus, vi khuẩn, nấm men, và viễn tưởng xa hơn là của tế bào sinh vật bậc cao như thực vật và động vật. Mục đích tái tạo là làm thay đổi và hòan chỉnh các gene bằng phương pháp tổng hợp (synthesis) để tạo những sinh vật mới có đặc tính và khả năng sinh học như mong muốn. Vì liên hệ đến tòan bộ gene, nên trên lý thuyết, SB bao gồm các bộ môn sinh học về bộ gene (genomics), bộ protein (proteonomics), tin sinh học (bioinformatics), sinh học cấu trúc và điện tóan (structural and computational biology), cơ chế truyền tin của tế bào (cell signaling). Về kỹ thuật, SB cũng cần kết hợp nhiều phương pháp gồm genomics (để tổng hợp gene), proteonomics (để tổng hợp protein), bioinformatics (để kiến trúc mạng lưới gene), signaling (để họat hóa gene) và những kỹ thuật thường qui như micro-array, tổng hợp và giải trình tự DNA (DNA chip synthesis, sequencing), vi sinh vật học (microbiology), sinh học môi trường (environmental biology), sinh học tiến hóa (evolution biology).
Ðặc điểm của phương pháp SB là tạo những bộ phận gene (gene parts) và ghép lại thành một chu trình tổng hợp sinh học (nhu biosynthesis pathway) hoặc tạo cả một bộ gene (genome) của tế bào. Trong công việc này, có hai hệ thống được phỏng theo mô hình thiên nhiên. Thứ nhất là tạo bộ điều hành (regulatory parts) và thứ hai là tạo các gene hay bộ gene. Các bộ điều hành giống như hệ thống điện (electronic circus) có thể bật (open) và tắt (shut-down), có cơ chế cảm thụ (sensors) và hệ thống điều hòa hoạt tính của gene như tần số điện cũng được gọi là inverter và oscillator. Hiện thời bộ điều hành gene có thể đặt làm hoặc mua ở một số hãng công nghệ sinh học chuyên về SB (Hình 1). Các bộ điều hành cũng được trao đổi rộng rãi giữa các trung tâm nghiên cứu và đang được cải tiến thêm mỗi ngày để tạo những hệ thống SB đa dạng và hữu hiệu hơn. Bộ điều hành của tế bào động vật bậc cao thì phức tạp hơn; các thành qủa thu được hiện nay từ E. coli và nấm men. Các phương pháp tổng hợp DNA đang dược cải tiến rất nhanh để đáp ứng nhu cầu tổng hợp số lượng lớn gene và bộ điều hành dùng trong nghiên cứu SB (Hình 2).

Tiến Trình và Thành Qủa:
Ý niệm về SB hình thành từ giai đoạn khởi đầu của công nghệ gene khi các enzyme giới hạn (restriction enzymes) được Halmilton Smith khám phá và xử dụng vào năm 1978. Theo đó, chúng ta có thể cắt và ráp nối các đoạn gene để thay đổi hình thái và chức năng của chúng. Như đã nêu trên, phương pháp tách dòng cổ điển chỉ áp dụng được cho từng gene một. Thành qủa giải trình tự bộ gene của người, và của nhiều sinh vật khác, cũng như hiểu biết về chức năng và cơ chế điều hòa bộ gene, đã tạo điều kiện để các nhà nghiên cứu sinh học khai triển bộ môn SB trong khoảng 5 năm vừa qua. SB đã được thiết lập từ những đại học quốc tế như MIT, Ðại Học California ở Berkeley (UCB), Oxford với đóng góp của các nhà nghiên cứu tên tuổi. Craig Venter, người giải mã bộ gene nhân loại, đã ứng dụng SB để thiết lập tế bào có bô gene nhỏ nhất (minimum-genome) gồm khoảng trên 200 gene để nghiên cứu về nguồn gốc sự sống. Về thực dụng, tế bào này cung cấp hệ thống điều hòa gene và là một môi trường sạch (clean) rất tốt để tổng hợp chế phẩm dược liệu hay năng lượng với độ tinh khiết cao vì không có những sản phẩm phụ (by product) như ở E. coli và nấm men. Năm 2001, C. Venture đã thành lập công ty Synthetic Genomics và lên kế hoạch nghiên cứu SB để sản xuất, với công suất cao các hóa chất năng lượng (như hydrogen, ethanol) nhằm trong sạch hóa môi trường, và dự tính tiết kiệm được khoảng 20 tỷ USD hàng năm do việc thay thế ethanol để giảm thiểu lượng xăng tiêu thụ ở Mỹ.

Tiến sĩ Nguyễn Đức Thái

Nguồn: www.khoahoc.net

>>>back>>>