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

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

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 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 tế

bào (E coli, nấm men hay tế bào

động, thực vật) nhằm mục đích tổng hợp protein và tìm hiểu 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 này

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, hoặc 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 tổng hợp (synthesis) để tạo những sinh vật

mới có đặc tính và khả năng sinh học như mong muốn Vì liên hệ đến tòan

bộ gene, nên trên lý thuyết, SB bao gồm các bộ môn sinh học về bộ gene

(genomics), bộ protein

(proteonomics), sinh tin học

(bioinformatics), sinh học cấu trúc và 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

(để 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 tự 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 phương 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 dược 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