Khoa học tự nhiên

Tạo sinh vật sống đầu tiên có thêm mã gen (23/05/2014)

Các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Scripps (TSRI) đã thiết kế tạo ra một loại vi khuẩn có vật liệu di truyền có thêm một cặp "chữ" ADN, hoặc base, không tồn tại trong tự nhiên. Các tế bào của vi khuẩn độc đáo này có thể sao chép các base ADN phi tự nhiên này gần như bình thường, cho đến khi các khối kiến thiết phân tử được cung cấp.

Một nghiên cứu vừa được công bố mô tả chi tiết về cách

các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Scripps có thể tạo ra

các sinh vật sống đầu tiên có thêm một chữ cái di truyền khác.

"Sự sống trên Trái đất dưới mọi dạng của nó được mã hóa chỉ bởi hai cặp base ADN, A-T và C-G, và những gì chúng tôi đã thực hiện là một sinh vật chứa ổn định hai cặp này cộng với một cặp base phi tự nhiên thứ ba", Floyd E. Romesberg, Phó giáo sư và là người đứng đầu nhóm nghiên cứu, cho biết. "Điều này cho thấy có thể có các giải pháp khác để lưu trữ thông tin và, tất nhiên, đưa chúng ta tới gần hơn với sinh học AND mở rộng với nhiều ứng dụng hấp dẫn -  từ các loại thuốc mới đến các loại công nghệ nano mới".

Nhiều thách thức

Romesberg và phòng thí nghiệm của ông từ cuối những năm 1990 đã nghiên cứu để tìm các cặp phân tử có thể làm các base ADN chức năng mới, về nguyên tắc, có thể mã hóa các protein và các sinh vật chưa từng tồn tại trước đó.

Đây không phải là công việc đơn giản. Bất kỳ cặp base ADN chức năng mới nào đều sẽ phải gắn với một quan hệ tương tự như của base nucleoside tự nhiên là các cặp adenine - thymine và cytosine - guanine. Những base mới đó cũng sẽ phải có hàng lối ổn định cùng với các base tự nhiên trong một đoạn ADN có hình dạng giống chiếc khóa kéo. Khi hoạt động, chúng cần phải được mở (mở nén) ra và ép (nén) lại trơn tru bởi các enzyme polymerase tự nhiên trong quá trình sao chép ADN và phiên mã thành ARN. Và bằng cách nào đó những kẻ xâm nhập nucleoside này sẽ phải tránh bị tấn công và loại bỏ bởi cơ chế sửa chữa ADN tự nhiên.

Mặc dù có những thách thức, năm 2008 Romesberg và các đồng nghiệp của ông đã đạt bước tiến lớn hướng tới mục tiêu này; họ đã xác định bộ các phân tử nucleoside có thể treo lên trên chuỗi xoắn kép ADN khít gần như các cặp base tự nhiên và cho thấy ADN có chứa các cặp base phi tự nhiên này có thể sao chép khi gặp đúng loại enzym. Trong nghiên cứu ở năm tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã tìm được các enzyme có thể phiên mã ADN bán tổng hợp này thành ARN.

Nhưng công việc này được tiến hành trong môi trường đơn giản hóa của một ống nghiệm. "Những cặp base phi tự nhiên đã hoạt động rất tốt trong ống nghiệm, nhưng thách thức lớn là để cho chúng hoạt động trong môi trường phức tạp hơn nhiều của một tế bào sống", Denis A. Malyshev, một thành viên của phòng thí nghiệm Romesberg và là tác giả chính của báo cáo mới, cho biết.

Vi tảo dẫn tới đột phá

Trong nghiên cứu mới này, nhóm nghiên cứu đã tổng hợp một đoạn ADN vòng được gọi là plasmid và đưa nó vào các tế bào của vi khuẩn E. coli phổ biến. ADN Plasmid chứa các cặp base tự nhiên T-A và C-G cùng với cặp base phi tự nhiên hoạt động tốt nhất mà phòng thí nghiệm của Romesberg đã tìm ra, là hai phân tử được gọi là d5SICS và dNaM. Mục đích là làm cho các tế bào vi khuẩn E. coli sao chép ADN bán tổng hợp này càng giống như bình thường càng tốt.

Rào cản lớn nhất ở đây có thể là phải làm yên lòng những người lo ngại việc phóng thích không kiểm soát một dạng sự sống mới: các khối kiến thiết phân tử cho d5SICS và dNaM không tự nhiên tồn tại trong tế bào. Vì vậy, để cho E. coli sao chép các DNA có chứa các base phi tự nhiên này, các nhà nghiên cứu phải cung cấp các khối kiến thiết phân tử theo cách nhân tạo, bằng cách cho chúng vào dung dịch lỏng ngoài tế bào. Sau đó, để đưa các khối kiến thiết, được gọi là triphosphate nucleoside, vào các tế bào, họ phải tìm được phân tử vận chuyển triphosphate đặc biệt có thể thực hiện công việc này. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu cũng tìm được phân tử vận chuyển triphosphate, được thực hiện bởi một loài vi tảo, đủ tốt để đưa triphosphate phi tự nhiên vào tế bào. "Đó là một bước đột phá lớn đối với chúng tôi - một bước đột phá tạo khả năng", Malyshev nói.

Trong năm tiếp theo, với một chút ngạc nhiên, nhóm nghiên cứu đã phát hiện thấy rằng plasmid bán tổng hợp đã nhân bản với tốc độ và mức chính xác hợp lý, không gây cản trở đáng kể đến sự phát triển của các tế bào vi khuẩn E. coli, và cho thấy không có dấu hiệu các cặp base phi tự nhiên của nó biến mất trước các cơ chế sửa chữa ADN.

"Khi chúng tôi dừng chuyển các khối kiến thiết triphosphate phi tự nhiên vào các tế bào, sự thay thế d5SICS - dNaM bằng các cặp base tự nhiên đã tương quan rất tốt đến sự tự sao chép tế bào - dường như không có các yếu tố khác loại bỏ các cặp base phi tự nhiên khỏi ADN", Malyshev nói. "Một điều quan trọng cần lưu ý là hai đột phá này cùng cung cấp sự kiểm soát hệ thống đó. Các base mới của chúng tôi chỉ có thể đi vào các tế bào nếu chúng tôi bật protein "vận chuyển base". Không có phân tử vận chuyển này hoặc khi không có các base mới, các tế bào sẽ phục hồi trở lại A, T, G , C, và d5SICS và dNaM sẽ biến mất khỏi bộ gen". Bước tiếp theo sẽ là chứng minh sự phiên mã trong tế bào của các ADN thêm chữ cái mới thành ARN cấp liệu cho cỗ máy sản xuất protein của tế bào. "Về nguyên tắc, chúng ta có thể mã hóa các protein mới được làm từ các axit-amin phi tự nhiên mới - điều đó sẽ cung cấp cho chúng ta khả năng lớn hơn bao giờ hết để hiệu chỉnh các chẩn đoán và liệu pháp protein và thuốc thử trong phòng thí nghiệm theo các chức năng mong muốn", Romesberg nói. "Các ứng dụng khác cũng có thể thực hiện, chẳng hạn như vật liệu nano".

Nguồn: www.vista.vn (Theo Nature)