Nhà khoa học Mỹ hoàn thành tế bào nhân tạo có khả năng sinh trưởng

Các nhà khoa học Mỹ vừa hoàn thành một bước đột phá trong lĩnh vực sinh học, khi họ tạo dựng được một tế bào hoàn chỉnh từ những chất hóa vô cơ. Khác với các phương pháp trước đây sửa đổi những tế bào có sẵn từ thiên nhiên, công trình lần này xây dựng tế bào từ những thành phần cơ bản nhất.

Tiến sĩ Kate Adamala, chuyên gia về sinh học tổng hợp tại Đại học Minnesota, cùng các cộng sự của mình đã lần lượt xây dựng từng bộ phận của tế bào nhân tạo từ những thành phần hóa học vô cơ. Đột phá này được dự báo sẽ mở ra một kỷ nguyên mới, cho phép các nhà khoa học chế tạo những sinh vật sống theo các yêu cầu cụ thể, với chức năng hoạt động tương tự như sinh vật có trong tự nhiên.

Nguyên mẫu tế bào được tạo ra bởi tiến sĩ Adamala hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế và dễ bị tổn hại, tuy nhiên nó có tiềm năng to lớn trong việc giúp các nhà khoa học khám phá ra nguồn gốc của sự sống, đồng thời có thể được điều chỉnh để giải quyết nhiều thách thức lớn liên quan đến sinh học. Tế bào này không mang đặc trưng riêng biệt của loài nào, không phải động vật hay thực vật, mà giống như một dạng vi khuẩn tối giản.

"Tôi nắm rõ toàn bộ công thức để tạo ra tế bào này, bao gồm từng loại hóa chất cụ thể và tỷ lệ của chúng. Tất cả các yếu tố đều được xác định một cách rõ ràng, cho phép chúng tôi sản xuất và điều chỉnh theo ý muốn", tiến sĩ Adamala chia sẻ.

Ứng dụng tiềm năng của tế bào nhân tạo

Trong suốt nhiều thập kỷ qua, cộng đồng khoa học đã ứng dụng những tế bào tự nhiên đã được cải tạo để xử lý nhiều vấn đề phức tạp. Một minh chứng nổi bật là việc chuyển gene tạo insulin của con người vào tế bào vi khuẩn E. coli để sản sinh insulin dùng trong điều trị bệnh tiểu đường.

Giới khoa học hiện nay cho rằng tế bào nhân tạo sẽ là bước tiến tiếp theo, hỗ trợ phát triển những chiến lược chống lại ung thư mới, cũng như tạo ra các phương án sản xuất các hóa chất công nghiệp và giảm thiểu lượng khí thải carbon vào môi trường.

Tế bào được coi là đơn vị cơ bản để hình thành sự sống, nhưng cấu trúc của chúng vô cùng phức tạp. Cơ thể con người chứa khoảng 37 triệu tỷ tế bào, và cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa hoàn toàn tìm ra cách vận hành của từng loại tế bào cụ thể và những thành phần cấu tạo nên chúng.

Quan điểm từ các chuyên gia

Theo nhận định của tiến sĩ Yuval Elani, phó giáo sư chuyên ngành công nghệ sinh học ở Cao đẳng Hoàng gia London, Anh: "Tế bào nhân tạo do nhóm của tiến sĩ Adamala phát triển chưa phải là sự sống thật sự, nhưng nó là một cột mốc quan trọng trên con đường hướng tới mục tiêu đó".

Tiến sĩ Elani cũng bình luận thêm: "Việc xây dựng tế bào từ những nguyên tố ban đầu cho phép họ vượt qua những giới hạn tự nhiên của sinh học, mở ra khả năng thiết kế những thực thể có sức mạnh thực hiện những công việc khó khăn, thậm chí là bất khả thi nếu dùng những tế bào tự nhiên".

Sinh học tổng hợp là một lĩnh vực khác biệt hoàn toàn với nghiên cứu liên quan đến tế bào gốc, trong đó các nhà khoa học tập trung vào việc chỉnh sửa những tế bào hiện có từ các nguồn sinh vật tự nhiên.

SpudCell - Tế bào mang tên lạ

Tiến sĩ Adamala đặt cho sản phẩm của mình tên gọi "SpudCell" (Tế bào Khoai tây), một cách chơi chữ dựa trên Sputnik - vệ tinh nhân tạo được Liên Xô phóng lên quỹ đạo lần đầu tiên trên thế giới vào thập niên 1950 và khởi động kỷ nguyên khám phá vũ trụ.

"Chúng tôi kỳ vọng rằng sự phát triển này sẽ khởi mở một kỷ nguyên kinh tế sinh học mới", tiến sĩ cho biết.

SpudCell được tạo nên bởi từ 150 đến 200 phân tử, có khả năng phát triển và phân chia thành những tế bào con trong vòng 5 thế hệ. So với tế bào tự nhiên với hàng triệu đến hàng tỷ phân tử, nó đơn giản hơn rất nhiều.

Tiến sĩ Adamala mô tả SpudCell như là "một thực thể cực kỳ yếu ớt, về bản chất chỉ có khả năng ăn và thỉnh thoảng tạo ra những tế bào con". Mỗi thế hệ cần được cung cấp dinh dưỡng và mất khoảng 12 giờ để thực hiện sinh sản trong điều kiện nhiệt độ 30 độ C, tương phản với chỉ 30 phút của vi khuẩn E. coli.

Bộ gene của SpudCell cũng nhỏ hơn đáng kể so với tế bào tự nhiên, với xấp xỉ 90.000 cặp bazơ so với 4,6 triệu cặp trong E. coli. Dù vậy, SpudCell vẫn có khả năng phân chia và sinh sản như các tế bào tự nhiên, nhưng lại áp dụng một cơ chế hoạt động khác biệt.

Cơ chế hoạt động độc đáo

Tế bào nhân tạo này không thể tự tạo ra những ribosome - những "nhà máy" siêu nhỏ chịu trách nhiệm chính trong công việc lắp ráp và tổng hợp protein bên trong tế bào. Thay vào đó, nó phải sử dụng ribosome từ E. coli, được cung cấp thông qua quá trình tiêu hóa của nó.

"Đây chỉ mới là bước khởi đầu. Nó là khung cơ bản để chúng tôi tiếp tục phát triển thêm", tiến sĩ Adamala nhận xét.

Tiến sĩ Elani cho rằng SpudCell không thực sự bắt chước theo tế bào tự nhiên, tuy nhiên ông nhấn mạnh đây không phải là một sai sót. "Một số hoạt động được thực hiện thông qua những phương thức khác so với cơ chế sinh học thông thường. Sinh học tổng hợp không phải lúc nào cũng xoay quanh việc mô phỏng thiên nhiên, đôi khi nó cho phép chúng ta hành động khác đi và sử dụng những cách tắt", ông chia sẻ.

Đánh giá từ cộng đồng khoa học

Một số nhà khoa học không tham gia vào dự án này mô tả kết quả của nhóm nghiên cứu là "một bước tiến thú vị và đáng chú ý".

Bà Elizabeth Strychalski, chỉ huy nhóm tại Cơ quan Kỹ thuật Tế bào thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), nhận xét: "SpudCell đang tồn tại ở ranh giới giữa một khối chất hóa học vô cơ và tế bào tiến hóa từ thiên nhiên. Công trình này rất có ý nghĩa và ấn tượng, có tiềm năng mang lại những giá trị lớn".

Giáo sư Tom Ellis, chuyên gia về kỹ thuật gene tổng hợp ở Cao đẳng Hoàng gia London, gọi SpudCell là "bước đột phá lớn nhất gần đây trong lĩnh vực tế bào tổng hợp", cho rằng nó sẽ hỗ trợ các nhà khoa học hiểu rõ hơn cách sự sống phát sinh từ những hợp chất hóa học vô cơ.

Quá trình tiến hóa tự nhiên

Các nhà nghiên cứu Mỹ chỉ ra rằng một trong những thành tựu then chốt là chứng minh tế bào nhân tạo cũng trải qua quá trình lựa chọn tự nhiên, trong đó một số tính chất sẽ trở nên phổ biến hơn hoặc dần biến mất.

Khi họ điều chỉnh gene nhằm tăng tốc độ sản sinh protein tăng trưởng, những tế bào mang gene này sẽ phát triển và phân chia nhanh hơn các tế bào khác. Tuy nhiên, thay đổi này được đưa vào một cách chủ ý chứ không phải từ đột biến gene tự phát, nên hiện chưa thể xác định SpudCell là tế bào có khả năng tiến hóa thực sự.

Tranh cãi về bản chất sự sống

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

Giáo sư Endy cũng bình an rằng SpudCell ở giai đoạn hiện tại không gây ra mối nguy hiểm nào về mặt sinh học, không thể được sử dụng để chế tạo vũ khí sinh học. "Nó chỉ phân chia khi được cung cấp thức ăn và mọi thứ khác cần thiết, bao gồm cả ribosome. Nó hoàn toàn không có khả năng tự lưu hành và sinh sản bên ngoài môi trường được kiểm soát này", ông giải thích.

Các biện pháp bảo vệ

Giáo sư Adamala khẳng định rằng vì SpudCell được xây dựng từ những nguyên tố ban đầu, nên có thể lập trình những cơ chế bảo vệ vào cấu trúc gene của nó, nhằm ngăn ngừa những rủi ro an toàn tiềm ẩn nếu tế bào bị thoát ra khỏi môi trường kiểm soát.

Giáo sư Adamala và Giáo sư Endy đều là những người sáng lập của tổ chức Biotic, một tổ chức hoạt động vì lợi ích công cộng với mục tiêu biến SpudCell thành tiêu chuẩn toàn cầu về sinh học tế bào tổng hợp, đóng vai trò tương tự như hệ điều hành mã nguồn mở Linux.

Bà Laurie Zoloth, giáo sư chuyên ngành tôn giáo và đạo đức học ở Đại học Chicago, cho rằng tổ chức Biotic có thể hỗ trợ giải quyết những vấn đề nảy sinh cùng công nghệ mới, chẳng hạn như ai sẽ được lợi ích, ai sẽ quyết định phương cách sử dụng nó và ai sẽ đặt ra những hướng dẫn bảo đảm an toàn.

Kế hoạch chia sẻ công nghệ

Giáo sư Adamala cho biết mục tiêu hiện tại là bảo đảm công nghệ cốt lõi của SpudCell được mở rộng tiếp cận với bất kỳ ai muốn tiến hành nghiên cứu. Bà cũng nói rằng các cơ sở nghiên cứu và các tổ chức phi lợi nhuận sẽ được tiếp cận miễn phí, trong khi các hoạt động có tính chất thương mại sẽ phải thanh toán phí cấp phép.

"SpudCell ở thời điểm này chưa thể sản sinh ra bất kỳ thứ gì hữu ích, nó chưa đạt được hiệu quả cần thiết. Điều thú vị là chúng tôi đang xây dựng một cộng đồng quốc tế nhằm tăng tốc độ tiến trình để giúp nó mang lại những lợi ích thiực tiễn", giáo sư nói kết luận.