Sinh học tổng hợp: Kỹ thuật, tiến trình, thành quả và dự phỏng tương lai

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 sinh học tổng hợp(synthetic biology) hay còn gọi là sinh học kiến tạo (constructive biology), dựa trên kỹ thuật tổng hợp và điều hòa gene. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sinh học tổng hợp: Kỹ thuật, tiến trình, thành quả và dự phỏng tương laiSinh học tổng hợp: Kỹ thuật, tiến trình, thành quả và dự phỏng tương lai Trong vài năm gần đây đã xuấthiện một diễn tiến khoa học tuy còntrong giai đoạn thầm lặng, phôi thai,nhưng đang hứa hẹn mang lại mộtcuộc cách mạng mới trong sinh họcbởi tiềm năng ứng dụng lớn lao trongxã hội, gồm việc chế tạo dượcphẩm, tạo năng lượng và xử lý môitrường. Ðó là sự ra đời của bộmôn sinh học tổng hợp(syntheticbiology) hay còn gọi là sinh học kiếntạo (constructive biology), dựa trênkỹ thuật tổng hợp và điều hòa gene.Trong bài này từ ngữ “sinh học tổnghợp” sẽ được viết tắt là SB.Ðịnh hướng và kỹ thuật: SB là một nhánh mới của sinhhọc hiện đại và là một ứng dụng caođiểm của kỹ thuật gene (geneticengineering) đã được triển khai từđầu thập niên 1980. Trong kỹ thuậtgene cổ điển này, người ta tách dòngcác gene và sau đó chuyển vào các tếbào (E. coli, nấm men hay tế bàođộng, thực vật) nhằm mục đích tổnghợp protein và tìm hiểu bản chất sinhhóa (biochemical properties) củachúng. Các tính chất chức năng(functional properties) của geneđược nghiên cứu bằng cách chuyểngene vào sinh vật, thường là chuột,dùng phương pháp gắn gene (knock-in) hay loại trừ gene (knock-out) đểhoạt hóa hay bất hoạt gene. Cácphương pháp này từng là nền tảngcủa công nghệ sinh học trong gần 3thập niên qua ở nhiều nước trên thếgiới.Hình 1. Một số thành phần của bộđiều hành dùng trong kỹ thuật sinhhọc tổng hợp. Các thành phần (part)là DNA khi ghép lại sẽ tạo ra một bộphận (device), và những bộ phận nàysẽ tạo một hệ thống (system) cầnthiết cho chức năng của tế bào mớithành lập. SB phát sinh từ ứng dụng cácthành quả sinh học hiện đại để tiếnlên một bình diện cao hơn (paradigmshift). SB nhằm tái tạo (reconstitute)hệ thống gene của chu trình sinh học(biological pathway) tế bào, hoặc táitạo bộ gene (genome) của virus, vikhuẩn, nấm men, và viễn tưởng xahơn là của tế bào sinh vật bậc caonhư thực vật và động vật. Mục đíchtái tạo là làm thay đổi và hòan chỉnhcác gene bằng phương pháp tổng hợp(synthesis) để tạo những sinh vậtmới có đặc tính và khả năng sinh họcnhư mong muốn. Vì liên hệ đến tòanbộ gene, nên trên lý thuyết, SB baogồm các bộ môn sinh học về bộ gene(genomics), bộ protein(proteonomics), sinh tin học(bioinformatics), sinh học cấu trúc vàđiện toán (structural andcomputational biology), cơ chếtruyền tin của tế bào (cell signaling).Về kỹ thuật, SB cũng cần kết hợpnhiều 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) vànhững kỹ thuật thường qui nhưmicro-array, tổng hợp và giải trình tựDNA (DNA chip synthesis,sequencing), vi sinh vật học(microbiology), sinh học môi trường(environmental biology), sinh họctiến hóa (evolution biology). Ðặc điểm của phương pháp SB làtạo những bộ phận gene (gene parts)và ghép lại thành một chu trình tổnghợp sinh học (biosynthesis pathway)hoặc tạo cả một bộ gene (genome)của tế bào. Trong công việc này, cóhai hệ thống được phỏng theo môhình thiên nhiên. Thứ nhất là tạo bộđiều hành (regulatory parts) và thứhai là tạo các gene hay bộ gene. Cácbộ điều hành giống như hệ thốngđiện (electronic circus) có thể bật(open) và tắt (shut-down), có cơ chếcảm thụ (sensors) và hệ thống điềuhòa hoạt tính của gene như tần sốđiện cũng được gọi là inverter vàoscillator. Hiện thời bộ điều hànhgene có thể đặt làm hoặc mua ở mộtsố hãng công nghệ sinh học chuyênvề SB (Hình 1). Các bộ điều hànhcũng được trao đổi rộng rãi giữa cáctrung tâm nghiên cứu và đang đượccải tiến thêm mỗi ngày để tạo nhữnghệ thống SB đa dạng và hữu hiệuhơn. Bộ điều hành của tế bào độngvật bậc cao thì phức tạp hơn; cácthành qủa thu được hiện nay từ E.coli và nấm men. Các phương pháptổng hợp DNA đang dược cải tiến rấtnhanh để đáp ứng nhu cầu tổng hợpsố lượng lớn gene và bộ điều hànhdùng trong nghiên cứu SB (Hình 2).Hình 2. Một phương thức tổng hợpgene được dùng trong SB: xây dựng nhiễm sắc thể nhân tạo.