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

Sinh h
ọc 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
b
ởi 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 h
ọc kiến
tạo (constructive biology), dựa trên
kỹ thuật tổng hợp và điều hòa gene.
Trong bài này từ ngữ “sinh học tổng
hợp” sẽ được viết tắt là SB.

Ðịnh hướng và kỹ thuật:

SB là một nhánh mới của sinh

học hiện đại và là một ứng dụng cao
điểm của kỹ thuật gene (genetic
engineering) đã được triển khai từ
đầu thập niên 1980. Trong kỹ thuật
gene cổ điển này, người ta tách dòng
các gene và sau đó chuyển vào các t
ế
bào (E. coli, nấm men hay tế bào
động, thực vật) nhằm mục đích tổng
hợp protein và tìm hi
ểu bản chất sinh
hóa (biochemical properties) của
chúng. Các tính chất chức năng
(functional properties) của gene
được nghiên cứu bằng cách chuyển
gene vào sinh vật, thường là chuột,
dùng phương pháp gắn gene (knock-
in) hay loại trừ gene (knock-out) để
hoạt hóa hay bất hoạt gene. Các
phương pháp này từng là nền tảng
của công nghệ sinh học trong gần 3
thập niên qua ở nhiều nước trên thế
giới.

Hình 1. Một số thành phần của bộ
điều hành dùng trong kỹ thuật sinh
học tổng hợp. Các thành phần (part)
là DNA khi ghép lại sẽ tạo ra một bộ
phận (device), và những bộ phận n
ày

sẽ tạo một hệ thống (system) cần
thiết cho chức năng của tế bào mới
thành lập.

SB phát sinh từ ứng dụng các
thành quả sinh học hiện đại để tiến
lên một bình diện cao hơn (
paradigm
shift). SB nhằm tái tạo (reconstitute)
hệ thống gene của chu trình sinh học
(biological pathway) tế bào, ho
ặc tái
tạo bộ gene (genome) của virus, vi
khuẩn, nấm men, và viễn tưởng xa
hơn là của tế bào sinh vật bậc cao
như thực vật và động vật. Mục đích
tái tạo là làm thay đổi và hòan chỉnh
các gene bằng phương pháp t
ổng hợp
(synthesis) để tạo những sinh vật
mới có đặc tính và kh
ả năng sinh học
như mong muốn. Vì liên hệ đến t
òan
bộ gene, nên trên lý thuyết, SB bao
g
ồm các bộ môn sinh học về bộ gene
(genomics), bộ protein
(proteonomics), sinh tin học
(bioinformatics), sinh học cấu trúc v

à
điện toán (structural and
computational biology), cơ chế
truyền tin của tế bào (cell signaling).
Về kỹ thuật, SB cũng cần kết hợp
nhiều phương pháp gồm genomics
(để tổng hợp gene), proteonomics
(đ
ể tổng hợp protein), bioinformatics
(để kiến trúc mạng lưới gene),
signaling (để họat hóa gene) và
những kỹ thuật thường qui như
micro-array, tổng hợp và giải trình t
ự
DNA (DNA chip synthesis,
sequencing), vi sinh vật học
(microbiology), sinh học môi trường
(environmental biology), sinh học
tiến hóa (evolution biology).

Ðặc điểm của ph
ương pháp SB là
tạo những bộ phận gene (gene parts)
và ghép lại thành một chu trình tổng
hợp sinh học (biosynthesis pathway)
hoặc tạo cả một bộ gene (genome)
của tế bào. Trong công việc này, có
hai hệ thống được phỏng theo mô
hình thiên nhiên. Thứ nhất là tạo bộ
điều hành (regulatory parts) và thứ

hai là tạo các gene hay bộ gene. Các
bộ điều hành giống như hệ thống
điện (electronic circus) có thể bật
(open) và tắt (shut-down), có cơ chế
cảm thụ (sensors) và hệ thống điều
hòa hoạt tính của gene như tần số
điện cũng được gọi là inverter và
oscillator. Hiện thời bộ điều hành
gene có thể đặt làm hoặc mua ở một
số hãng công nghệ sinh học chuyên
về SB (Hình 1). Các bộ điều hành
cũng được trao đổi rộng rãi giữa các
trung tâm nghiên cứu và đang được
cải tiến thêm mỗi ngày để tạo những
hệ thống SB đa dạng và hữu hiệu
hơn. Bộ điều hành của tế bào động
vật bậc cao thì phức tạp hơn; các
thành qủa thu được hiện nay từ E.
coli và nấm men. Các phương pháp
tổng hợp DNA đang dư
ợc cải tiến rất
nhanh để đáp ứng nhu cầu tổng hợp
số lượng lớn gene và bộ điều hành
dùng trong nghiên cứu SB (Hình 2).


Hình 2. Một phương thức tổng hợp
gene được dùng trong SB: xây dựng
nhiễm sắc thể nhân tạo.