Tổng hợp toàn bộ bộ gen: Bước tiến lớn trong sinh học tổng hợp

Ảnh nguồn: Vanessa Branchi

Đầu đại dịch COVID-19, các nhà khoa học ở Trung Quốc đã tải trình tự gen của virus (bản thiết kế để sản xuất ra nó) lên cơ sở dữ liệu di truyền.

Một nhóm người Thụy Sĩ sau đó đã tổng hợp toàn bộ bộ gen và tạo ra virus từ nó — về cơ bản là dịch chuyển virus vào phòng thí nghiệm của họ để nghiên cứu mà không cần phải đợi lấy mẫu vật lý. Tốc độ như vậy là một ví dụ về cách in toàn bộ gen đang thúc đẩy y học và những nỗ lực khác.

Tổng hợp toàn bộ bộ gen là một phần mở rộng của lĩnh vực sinh học tổng hợp đang bùng nổ. Các nhà nghiên cứu sử dụng phần mềm để thiết kế trình tự gen mà họ sản xuất và đưa vào vi khuẩn, từ đó lập trình lại vi khuẩn để thực hiện công việc mong muốn - chẳng hạn như chế tạo một loại thuốc mới.

Cho đến nay các bộ gen chủ yếu được chỉnh sửa nhẹ. Nhưng những cải tiến trong công nghệ tổng hợp và phần mềm sẽ giúp in được những khối vật liệu di truyền lớn hơn bao giờ hết và thay đổi bộ gen rộng rãi hơn.

Bộ gen của virus vốn rất nhỏ, được tạo ra đầu tiên vào năm 2002 với khoảng 7.500 nucleotide hay các chữ cái mã hóa của poliovirus. Cũng như coronavirus, các bộ gen virus tổng hợp này đã giúp các nhà điều tra hiểu rõ hơn về cách thức lây lan và gây bệnh của các loại virus liên quan. Một số bộ gen đang được thiết kế để phục vụ cho việc sản xuất vắc xin và liệu pháp miễn dịch.

Việc giải mã các bộ gen chứa hàng triệu nucleotide, như ở vi khuẩn và nấm men, cũng là điều có thể làm được.

Năm 2019, một nhóm nghiên cứu đã in được một phiên bản của bộ gen Escherichia coli. Một nhóm khác đã tạo ra phiên bản ban đầu của bộ gen men bia, bao gồm gần 11 triệu ký tự mã hóa.

Việc thiết kế và tổng hợp bộ gen ở quy mô này sẽ cho phép vi khuẩn đóng vai trò là nhà máy sản xuất không chỉ thuốc mà còn bất kỳ số lượng chất nào. Chúng có thể được thiết kế để sản xuất bền vững hóa chất, nhiên liệu và vật liệu xây dựng mới từ sinh khối phi thực phẩm hoặc thậm chí là khí thải như carbon dioxide.

Nhiều nhà khoa học muốn có khả năng giải mã các bộ gen lớn hơn, chẳng hạn như bộ gen của thực vật, động vật và con người. Để đạt được điều đó, đòi hỏi đầu tư nhiều hơn vào phần mềm thiết kế (rất có thể là kết hợp trí tuệ nhân tạo) và các phương pháp tổng hợp và lắp ráp chuỗi ADN dài ít nhất hàng triệu nucleotide một cách nhanh hơn, rẻ hơn. Nếu đủ kinh phí, việc giải mã các bộ gen ở quy mô tỷ nucleotide có thể trở thành hiện thực trước cuối thập kỷ này.

Các chuyên gia đang nghĩ đến nhiều ứng dụng, bao gồm việc tạo ra các loại cây chống lại mầm bệnh và một dòng tế bào siêu an toàn của con người - chẳng hạn, đối với nhiễm virus, ung thư và phóng xạ - có thể là cơ sở cho các liệu pháp dựa trên tế bào hoặc để sản xuất sinh học.

Ngoài ra, khả năng giải mã bộ gen của chính chúng ta chắc chắn sẽ xuất hiện, cho phép các bác sĩ chữa khỏi bệnh di truyền.

Tuy nhiên, kỹ thuật giải mã toàn bộ bộ gen có thể bị lạm dụng, với nỗi lo sợ chính là các mầm bệnh được vũ khí hóa hoặc các thành phần tạo ra độc tố gây ra. Các nhà khoa học và kỹ sư sẽ cần phải phát minh ra một bộ lọc bảo mật sinh học toàn diện, một tập hợp các công nghệ mới và hiện đại để có thể phát hiện và theo dõi sự lây lan các mối đe dọa mới trong thời gian thực.

Các nhà điều tra sẽ cần các chiến lược kiểm tra có thể mở rộng quy mô nhanh chóng. Điều quan trọng là các chính phủ trên thế giới phải hợp tác nhiều hơn nữa.

Genome Project-write, một liên minh đã được thành lập vào năm 2016 để hỗ trợ mạng lưới an toàn này. Dự án bao gồm hàng trăm nhà khoa học, kỹ sư và nhà đạo đức học từ hơn chục quốc gia, những người phát triển công nghệ, chia sẻ các phương pháp hay nhất, thực hiện các dự án thử nghiệm và nêu ra được các tác động đạo đức, luật pháp và xã hội.

Theo: https://www.scientificamerican.com/article/whole-genome-synthesis-will-transform-cell-engineering/