Nhà khoa học Mỹ tạo ra tế bào nhân tạo hoàn chỉnh đầu tiên

Các nhà khoa học Mỹ dùng hợp chất vô cơ để tạo ra tế bào hoàn chỉnh, có khả năng sinh trưởng và phân chia như tế bào tự nhiên.

Kate Adamala, nhà sinh học tổng hợp và giáo sư tại Đại học Minnesota ở Mỹ, cùng nhóm của mình xây dựng từng bộ phận của tế bào nhân tạo từ các thành phần hóa vô cơ. Đột phá này có thể mở ra thời kỳ mới, cho phép chế tạo những thực thể sống theo yêu cầu cụ thể, với hoạt động tương tự sinh vật tự nhiên.

Nguyên mẫu tế bào của giáo sư Adamala hiện còn khá hạn chế và dễ tổn thương, nhưng có thể giúp các nhà khoa học tìm hiểu nguồn gốc sự sống, cũng như điều chỉnh để giải quyết một số vấn đề lớn về sinh học. Tế bào này không có đặc điểm cụ thể, không phải động vật hay thực vật, mà giống một mẫu vi khuẩn đơn thuần.

"Tôi biết đầy đủ công thức tạo ra tế bào, trong đó có từng loại hợp chất và tỷ lệ của chúng. Tất cả đều được định nghĩa rõ ràng, cho phép sản xuất và điều chỉnh", bà nói.

Trong hàng chục năm qua, giới khoa học đã dùng tế bào tự nhiên được chỉnh sửa để giải quyết nhiều vấn đề. Một trong những ví dụ nổi bật là gene tạo insulin của người được nạp vào tế bào vi khuẩn E. coli để sản xuất insulin chữa bệnh tiểu đường.

Các nhà khoa học cho rằng tế bào nhân tạo là bước tiếp theo, giúp phát triển những biện pháp đối phó ung thư mới, cũng như xây dựng phương án sản xuất hóa chất và giảm phát thải carbon.

Tế bào được coi là những cấu trúc cơ bản để tạo ra sự sống, nhưng có kết cấu rất phức tạp. Cơ thể con người có khoảng 37 nghìn tỷ tế bào, đến nay các nhà khoa học vẫn chưa thể xác định rõ cách hoạt động của từng loại tế bào và thành phần của chúng.

"Tế bào nhân tạo do nhóm Adamala xây dựng không phải sự sống thực sự, nhưng là cột mốc quan trọng trên con đường hướng đến mục tiêu này", Yuval Elani, phó giáo sư ngành công nghệ hóa sinh tại Cao đẳng Hoàng gia London ở Anh, cho hay.

"Xây dựng tế bào từ con số 0 giúp họ không bị trói buộc bởi những hạn chế của sinh học tự nhiên, mở ra khả năng thiết kế những thực thể đủ sức làm những việc khó khăn, thậm chí bất khả thi với tế bào tự nhiên", ông Elani nói thêm.

Sinh học tổng hợp là lĩnh vực tách biệt hẳn với nghiên cứu tế bào gốc, trong đó các nhà khoa học tìm cách điều chỉnh tế bào sẵn còn từ nguồn sinh học.

'Thực thể vô cùng yếu đuối'

Giáo sư Adamala gọi sản phẩm của mình là "SpudCell" (Tế bào Khoai tây), một phần là cách chơi chữ dựa trên Sputnik - vệ tinh nhân tạo đầu tiên trên thế giới được Liên Xô phóng lên quỹ đạo trong thập niên 1950 và mở đầu kỷ nguyên vũ trụ.

"Chúng tôi hy vọng điều này sẽ khởi đầu kỷ nguyên kinh tế sinh học", bà cho hay.

SpudCell dưới kính hiển vi. Ảnh: Adamala Lab

SpudCell được tạo ra bởi 150-200 phân tử, có thể phát triển và phân chia thành tế bào mới trong khoảng 5 thế hệ. Nó đơn giản hơn nhiều so với tế bào tự nhiên với hàng triệu đến hàng tỷ phân tử.

Adamala mô tả SpudCell là "thực thể vô cùng yếu đuối, về cơ bản không làm được gì ngoài ăn và thỉnh thoảng sinh ra tế bào con". Mỗi thế hệ cần được cung cấp nguồn dưỡng chất và khoảng 12 tiếng để sinh sản trong điều kiện 30 độ C, so với 30 phút của E. coli.

Bộ gene của SpudCell cũng nhỏ hơn tế bào tự nhiên, với khoảng 90.000 cặp bazơ so với 4,6 triệu cặp trong E. coli. SpudCell có khả năng phân chia và sinh sản như tế bào tự nhiên, nhưng ứng dụng cơ chế khác biệt.

Tế bào nhân tạo không thể tự tạo ribosome - "nhà máy" siêu nhỏ chịu trách nhiệm chính trong lắp ráp và tổng hợp protein trong tế bào. Nó phải dùng ribosome của E. coli, cung cấp thông qua quá trình tiêu hóa.

"Đây chỉ là khởi đầu. Nó là bộ khung để chúng tôi tiếp tục phát triển", giáo sư Mỹ nói.

Phó giáo sư Elani nói rằng SpudCell không thật sự bắt chước tế bào tự nhiên, nhưng nhấn mạnh đó không phải lỗi. "Một số hành vi đạt được thông qua những cách khác với cơ chế sinh học thông thường. Sinh học tổng hợp không phải lúc nào cũng xoay quanh việc bắt chước tự nhiên, đôi khi nó cho phép chúng ta làm khác đi và áp dụng lối tắt", ông nói.

Một số nhà khoa học không tham gia dự án mô tả kết quả của nhóm nghiên cứu là "bước tiến thú vị".

"SpudCell đang ở trên lằn ranh giữa một khối hợp chất vô cơ và tế bào tiến hóa tự nhiên. Nghiên cứu này rất quan trọng và ấn tượng, có thể mang lại những lợi ích to lớn", Elizabeth Strychalski, trưởng nhóm tại Cơ quan Kỹ thuật Tế bào thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), cho hay.

Tom Ellis, giáo sư ngành kỹ thuật gen tổng hợp ở Cao đẳng Hoàng gia London, gọi SpudCell là "đột phá lớn nhất gần đây đối với lĩnh vực tế bào tổng hợp", cho rằng nó sẽ giúp các nhà khoa học hiểu cách sự sống sinh ra từ những hợp chất hóa học vô cơ.

Liệu có phải thực thể sống thực sự?

Các nhà nghiên cứu Mỹ lưu ý một trong những thành tựu then chốt là cho thấy tế bào nhân tạo cũng trải qua quá trình chọn lọc, trong đó một số đặc điểm sẽ trở nên phổ biến hơn hoặc dần mất đi.

Khi họ thay đổi gene nhằm tăng tốc độ sản xuất protein tăng trưởng, các tế bào mang gene này sẽ phát triển và phân chia nhanh hơn. Tuy nhiên, thay đổi này được đưa vào tế bào thay vì là đột biến gene tự phát, nên chưa thể khẳng định SpudCell là tế bào có khả năng tiến hóa.

Drew Endy, phó giáo sư kỹ thuật sinh học ở Đại học Stanford, cho rằng SpudCell chưa thể coi là thực thể sống. "Chúng ta còn lâu mới hiểu được sự sống, cũng như chưa có khả năng can thiệp vào vật chất để tạo những thứ mới. Tôi cho rằng Kate đã xây dựng được một tế bào, nhưng bà ấy chưa thể tạo ra sự sống thực chất", ông nói.

SpudCell trải qua quá trình phân chia. Ảnh: Adamala Lab

Endy cũng trấn an rằng SpudCell ở trạng thái hiện tại không tạo ra mối đe dọa nào về sinh học, không thể được dùng để chế tạo vũ khí sinh học. "Nó chỉ phân chia khi được cấp nguồn thức ăn và mọi thứ khác, trong đó có ribosome. Nó hoàn toàn không có khả năng tự sinh sản ngoài môi trường này", ông nói.

Giáo sư Adamala khẳng định SpudCell được xây dựng từ con số không, nên có thể cài đặt những biện pháp bảo vệ vào bộ gene của nó, nhằm ngăn ngừa những mối đe dọa an toàn nếu tế bào được phát tán ra môi trường.

Adamala và Endy nằm trong số sáng lập viên của Biotic, tổ chức phục vụ lợi ích cộng đồng với mục tiêu biến SpudCell trở thành tiêu chuẩn toàn cầu về sinh học tế bào tổng hợp, đóng vai trò như hệ điều hành nguồn mở Linux.

Laurie Zoloth, giáo sư ngành tôn giáo và đạo đức ở Đại học Chicago, cho rằng Biotic có thể giúp giải quyết một số vấn đề khi xuất hiện công nghệ mới, như ai sẽ hưởng lợi, ai sẽ quyết định cách sử dụng nó và ai sẽ đặt ra những biện pháp bảo đảm an toàn.

Giáo sư Adamala nói mục tiêu hiện nay là bảo đảm cốt lõi công nghệ của SpudCell cởi mở với tất cả những ai muốn nghiên cứu nó. Bà thêm rằng các viện nghiên cứu và tổ chức phi lợi nhuận sẽ được tiếp cận miễn phí, trong khi hoạt động thương mại sẽ cần trả phí cấp phép.

"SpudCell hiện chưa thể làm ra thứ gì hữu ích, nó chưa đủ hiệu quả. Điều thú vị là chúng tôi đang xây dựng cộng đồng quốc tế nhằm đẩy nhanh tiến trình để giúp nó mang lại lợi ích", bà nói.

Điệp Anh (Theo CNN)