Khi bàn tới kích cỡ bộ gen thì một loài hoa hiếm ở Nhật có tên Paris japonica đang giữ ngôi vô địch với ADN gấp 50 lần của con người. Ở chiều ngược lại của kích cỡ, một kỷ lục mới về sinh vật có bộ gen nhỏ nhất đang được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm tại California. Nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Craig Venter đã công bố một loài vi khuẩn nhân tạo có bộ gen nhỏ nhất – và cũng ít gen nhất – so với bất kỳ sinh vật sống nào khác, nhỏ hơn 282.000 lần so với loài hoa ở Nhật. Được đặt tên là Syn 3.0, sinh vật mới này có bộ gen được cắt bớt cho đến khi chỉ còn những gen trọng yếu cần thiết để sống sót và sinh sản, chỉ có 473 gen.
Cấu trúc gen được sắp xếp của vi khuẩn này tạo sự phấn khích cho các nhà sinh học tiến hóa và công nghệ sinh học, những người dự đoán việc thêm vào từng gen để nghiên cứu tác dụng của chúng. “Đây là một bước quan trọng để tạo nên một tế bào sống với bộ gen được hiểu rõ hoàn toàn,” Chris Voigt chia sẻ, ông hiện là nhà sinh học tổng hợp tại MIT, Cambridge. Tuy nhiên Voigt và những người khác lưu ý rằng công trình này vẫn còn mặt hạn chế, bởi vì chức năng của 149 gen trên Syn 3.0 – khoảng một phần ba – vẫn còn là bí ẩn. Cần phải nghiên cứu vai trò của những gen đó, vì nó hứa hẹn mở ra tầm nhìn mới về sinh học cơ bản của cuộc sống.
Đây là phiên bản thứ 3 mà Venter tạo ra, trước đó vào năm 2010 nhóm của Venter cho biết họ đã tổng hợp được nhiễm sắc thể duy nhất của Mycoplasma mycoides – một loại vi khuẩn có bộ gen khá nhỏ – và cấy nó vào một vi khuẩn mycoplasma khác có tên M. capricolum, cũng là vi khuẩn mà họ đã trích xuất ADN. Sau vài khởi đầu thất bại, vi khuẩn nhân tạo cuối cùng đã khởi động và tổng hợp ra các protein thông thường được tạo bởi M. mycoides chứ không phải M. capricolum (Science, 21 May 2010, p. 958). Sau đó, thay vì thêm vào một ít ADN chỉ dẫn, nhóm nghiên cứu đã để vật liệu di truyển bên trong sinh vật nhân tạo ban đầu, có tên là Syn 1.0, không thay đổi từ cha mẹ chúng.
Ở công trình hiện tại, Venter cùng với trưởng dự án Clyde Hutchinson tại JCVI, bắt đầu xác định tập hợp các gen tối thiểu cần thiết cho sự sống bằng cách loại bỏ những gen không cần thiết từ Syn 1.0. Ban đầu họ thành lập 2 nhóm, mỗi nhóm có cùng nhiệm vụ: sử dụng tất cả kiến thức di truyền để thiết kế một nhiễm sắc thể của vi khuẩn với bộ gen giả thiết nhỏ nhất. Sau đó cả hai sẽ được tổng hợp và cấy vào M. capricolum để xem phương án nào tạo ra được một sinh vật sống.
“Tin giờ chót là chúng tôi đã thất bại. Thật ngạc nhiên,” Venter chia sẻ. Cả hai nhiễm sắc thể đều không tạo thành một vi khuẩn sống. Thật rõ ràng, kiến thức sinh học hiện nay của chúng tôi là không đủ để ngồi xuống và thiết kế nên một sinh vật sống rồi tạo ra nó.”
Venter và cộng sự đã thu được kết quả tốt hơn với phương pháp thử sai. Họ chia bộ gen của Syn 1.0, bao gồm 901 gen, thành 8 phần. Tại điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi vùng, họ thêm vào các thẻ ADN giống hệt nhau để có thể dễ dàng ghép các phần lại với nhau. Điều này cho phép họ xem từng phần như các module độc lập, loại bỏ từng phần một, xóa những đoạn ADN, sau đó gắn lại thành bộ gen hoàn chỉnh rồi chèn lại vào M. capricolum để xem nó có thể tạo ra tế bào sống hay không. Nếu bộ gen chỉnh sửa không hoạt động, họ biết được là họ đã cắt bỏ một gen quan trọng và cần phải phục hồi. Nhóm nghiên cứu cũng đã đánh giá sự cần thiết của nhiều gen khác bẳng cách chèn vào vật liệu di truyền ngoại lai, được gọi là transposons, để gián đoạn hoạt động của chúng.
Tất cả điều này đã giúp họ một cách hệ thống loại dần những gen không mang chức năng quan trọng hoặc lặp lại chức năng của một gen khác. Cuối cùng, nhóm của Venter đã xây dựng, thiết kế và thử nghiệm “hàng trăm” lần trước khi đạt đến Syn 3.0, với bộ gen chỉ bằng phân nửa Syn 1.0 (Syn 2.0 là bước đệm của quá trình này, vi khuẩn đầu tiên có bộ gen nhỏ hơn M. genitalium, với 525 gen, nhỏ hơn bất kỳ sinh vật sống nào.)
Khi quá trình loại bỏ kết thúc, các gen còn lại sẽ được sắp xếp theo trật tự thông thường. Quá trình tinh giản bộ gen cũng tương tự như máy tính sắp xếp và nén các file để dọn dẹp ổ cứng. Việc này có thể giúp các thí nghiệm tiếp tục trên Syn 3.0 dễ dàng hơn nhiều trong tương lai, Voigt cho biết.
Với tổng cộng 531.000 base, bộ gen của sinh vật mới không nhỏ hơn nhiều so với M. genitalium, có 600.000 base. Nhưng M. genitalium có tốc độ sinh trưởng khá chậm, phải mất hàng tuần để tế bào nhân đôi. Ngược lại, Syn 3.0 chỉ mất 3 giờ để phân bào, cho thấy nó phát triển nhanh với bộ gen tinh giản. “Chúng tôi không cho rằng đây là bộ gen nhỏ nhất sau cùng,” Venter chia sẻ. Tuy nhiên, cho đến hiện tại, Syn 3.0 là nhà vô địch mới về kích thước nhỏ.
Bibliography
Science. (2016, March 24). Synthetic microbe lives with fewer than 500 genes. Retrieved March 29, 2016 from http://www.sciencemag.org/news/2016/03/synthetic-microbe-lives-less-500-genes
<Dương Thụ dịch>