Tế bào nhân tạo SpudCell là bậc thang giúp con người tạo sự sống thay tạo hóa

Dù vẫn còn rất xa mới được coi là một dạng sống hoàn chỉnh, thành tựu này được nhiều chuyên gia đánh giá là bước tiến lớn nhất từ trước đến nay trong nỗ lực tạo ra sự sống tổng hợp từ những thành phần cơ bản. Thành công của việc tổng hợp ra tế bào nhân tạo SpudCell không chỉ mở ra triển vọng hiểu sâu hơn về nguồn gốc sự sống mà còn đặt nền móng cho thế hệ "nhà máy sinh học" hoàn toàn mới trong tương lai.

Từ một "giọt nước" đến tế bào nhân tạo có thể lớn lên và phân chia

Trong nhiều thập kỉ, các nhà sinh học tổng hợp theo đuổi một câu hỏi tưởng như chỉ tồn tại trong khoa học viễn tưởng: liệu con người có thể tạo ra một tế bào sống hoàn toàn từ đầu hay không?

Mới đây, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Kate Adamala thuộc Đại học Minnesota Twin Cities dẫn đầu đã tiến thêm một bước đáng kể khi giới thiệu SpudCell, một hệ thống tế bào nhân tạo có khả năng thực hiện ba chức năng cơ bản của sự sống: tăng trưởng, sao chép vật liệu di truyền và phân chia.

Về bản chất, SpudCell vẫn chỉ là một giọt nước cực nhỏ được bao bọc bởi lớp màng lipid giống màng tế bào tự nhiên. Bên trong chứa hỗn hợp protein, enzyme, ribosome cùng các đoạn ADN chỉ gồm 36 gene, quy mô nhỏ hơn khoảng 50 lần so với bộ gene của một vi khuẩn thông thường.

Tuy nhiên, chính cấu trúc tối giản đó lại giúp các nhà khoa học kiểm soát gần như toàn bộ hoạt động của hệ thống.

Trước đây, nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tạo được những "tế bào tối giản" có khả năng tổng hợp protein hoặc thực hiện một số phản ứng sinh học riêng lẻ. Thách thức lớn nhất luôn nằm ở việc tích hợp tất cả các chức năng vào cùng một hệ thống, bởi mỗi quá trình sinh học lại cần những điều kiện hóa học khác nhau.

Theo các chuyên gia, đây chính là rào cản khiến lĩnh vực tế bào tổng hợp phát triển chậm suốt nhiều năm qua.

Nhóm của Adamala đã vượt qua một phần rào cản này bằng cách sử dụng hệ thống PURE, bộ công cụ sinh học phân tử được phát triển từ nhiều năm trước, bao gồm các thành phần cần thiết để chuyển ADN thành ARN thông tin rồi tổng hợp protein.

Điểm đột phá nằm ở việc nhóm nghiên cứu lập trình bộ gene của SpudCell để tạo ra các "thẻ phân tử" trên bề mặt màng tế bào.

Các thẻ này hoạt động như những chiếc móc sinh học, giúp SpudCell kết nối với các túi lipid nhỏ hơn chứa enzyme và chất dinh dưỡng. Sau khi hợp nhất, những "bữa ăn" này cung cấp nguyên liệu giúp tế bào nhân tạo phát triển và sao chép bộ gene của mình.

Ở bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu còn đưa thêm vào bộ gene một cơ chế giúp SpudCell tự phân chia. Khi bổ sung phân tử streptavidin vào môi trường, các phân tử trên bề mặt màng tạo ra lực đẩy khiến giọt nước tách thành hai phần, mô phỏng quá trình phân bào.

Dù cơ chế này còn khá đơn giản và hiệu quả chưa cao, nhiều nhà khoa học vẫn xem đây là dấu mốc quan trọng.

Roseanna Zia, chuyên gia sinh học tính toán tại Đại học Missouri, gọi đây là "một thành tựu khoa học đáng kinh ngạc", trong khi Drew Endy của Đại học Stanford nhận định SpudCell chứng minh rằng việc kết hợp nhiều thành tựu rời rạc trong sinh học tổng hợp đã bắt đầu tạo nên một hệ thống gần giống tế bào thật.

Chưa phải sự sống, nhưng mở ra cánh cửa mới cho sinh học tổng hợp

Dù tạo được tiếng vang lớn, chính nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận SpudCell vẫn còn rất xa mới trở thành một cơ thể sống thực sự.

Quá trình phân chia hiện diễn ra rất kém hiệu quả. Để SpudCell có thể phân chia nhiều lần, các nhà khoa học phải hỗ trợ bằng phương pháp cơ học, ép các tế bào đi qua những màng có lỗ siêu nhỏ.

Sau năm chu kì phân chia, chỉ khoảng 30% số tế bào vẫn giữ được đầy đủ bộ gene ban đầu, cho thấy hệ thống chưa thể tự duy trì ổn định.

Một hạn chế khác là ribosome, "nhà máy sản xuất protein" của tế bào, sẽ dần bị hư hỏng theo thời gian. SpudCell hiện chưa có khả năng tạo ribosome mới hoặc loại bỏ các ribosome đã mất chức năng như tế bào sống tự nhiên. Quan trọng hơn, SpudCell vẫn chưa thể tiến hóa theo cơ chế chọn lọc tự nhiên.

Trong một thí nghiệm, nhóm nghiên cứu chủ động đưa vào một đột biến giúp một số SpudCell tạo nhiều điểm hấp thụ dinh dưỡng hơn, nhờ đó phát triển nhanh hơn các tế bào còn lại. Sau nhiều chu kì tăng trưởng, các bộ gene mang đột biến dần chiếm ưu thế.

Tuy nhiên, đây chưa phải là tiến hóa Darwin thực sự vì chính con người tạo ra đột biến và cũng phải can thiệp vào quá trình phân chia tế bào. Dẫu vậy, nhiều nhà khoa học cho rằng SpudCell đánh dấu thời điểm quan trọng của sinh học tổng hợp.

Không giống các tế bào tự nhiên vốn cực kì phức tạp và còn nhiều cơ chế chưa được hiểu rõ, SpudCell được xây dựng từ những thành phần mà các nhà khoa học biết chính xác chức năng và cách hoạt động.

Theo Giáo sư Adamala, điều này giống như sự khác biệt giữa việc tự chế tạo chiếc máy bay đầu tiên của anh em nhà Wright và cố gắng sửa đổi một chiếc Boeing 787 Dreamliner mà không có bản thiết kế.

Thành công của SpudCell cũng thúc đẩy sự ra đời của Biotic, một tổ chức nghiên cứu phi lợi nhuận do Drew Endy, Kate Adamala cùng các cộng sự sáng lập nhằm điều phối các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới trong mục tiêu xây dựng tế bào tổng hợp hoàn chỉnh. Tổ chức này đã huy động được khoảng 10 triệu USD vốn khởi đầu và dự kiến phân bổ phần lớn dưới dạng tài trợ nghiên cứu ngay trong tháng 9 tới.

Dù còn phải trải qua quá trình bình duyệt khoa học và đối mặt với không ít tranh luận, SpudCell vẫn được xem là cột mốc đáng nhớ trên hành trình giải mã bản chất của sự sống. Nó chưa phải là một sinh vật sống, nhưng đã chứng minh rằng việc lắp ghép các "viên gạch" cơ bản của sinh học để tạo nên một hệ thống có khả năng tăng trưởng và phân chia không còn là ý tưởng viển vông. Với nhiều nhà khoa học, đây chính là "tia lửa" đầu tiên có thể khởi đầu cho một cuộc cách mạng mới trong sinh học tổng hợp của thế kỉ XXI.