Một cuộc cách mạng đang diễn ra trong quá trình tổng hợp DNA có thể giúp xây dựng bộ gen từ đầu

DNA Script, một công ty của Pháp, đã công bố một bước đột phá trong tổng hợp DNA enzyme, một kỹ thuật mà một ngày nào đó có thể giúp các nhà khoa học xây dựng bộ gen từ đầu - mặc dù cần phải nghiên cứu thêm.

DNA là bản thiết kế đảm bảo sự phức tạp và liên tục rực rỡ của cuộc sống. Polyme hóa học này có mặt trong mỗi một nghìn tỷ tế bào của chúng tôi và, trong một số trường hợp, một thay đổi duy nhất đối với thư DNA (A, T, C và G), có thể gây ra các bệnh di truyền nghiêm trọng, bao gồm xơ nang và thiếu máu hồng cầu hình liềm .

Tiến sĩ Alexander Todd, một nhà hóa sinh người Anh, là một trong những nhà khoa học đầu tiên phát triển các phương pháp tổng hợp hóa học các polyme DNA. Todd đã nhận được giải thưởng Nobel về hóa học năm 1957 nhờ công trình về hóa học nucleotide và tổng hợp DNA, hầu hết trong số đó xảy ra trên nền tảng cấu trúc DNA năm 1953 của Watson và Crick. Todd đã phát triển một phương pháp tổng hợp DNA gọi là tổng hợp H-phosphonate, nhanh chóng được thay thế bằng các phương pháp hóa học hiệu quả hơn.

Mô hình ban đầu của Watson và Crick về cấu trúc DNA, dựa trên hình ảnh nhiễu xạ tia X của Rosalind Franklin và Maurice Wilkins. Cấu trúc này hiện được đặt trong Bảo tàng Khoa học ở South Kensington, London, Vương quốc Anh.

Vào những năm 1970, Tiến sĩ Marvin H. Caruthers, một nhà hóa sinh người Mỹ, đã phát triển một cách tốt hơn nhiều để tổng hợp DNA vẫn dựa vào các phương tiện hóa học, nhưng hiệu quả và ổn định hơn so với các phương pháp trước đây. Cho đến ngày nay, hầu hết các công ty cung cấp DNA tổng hợp đều sử dụng phương pháp Caruthers, được gọi là phương pháp phosphoramidite.

Có một số nhược điểm nghiêm trọng đối với các phương pháp tổng hợp DNA hiện đại, điều đáng lo ngại nhất là công nghệ này không thể được sử dụng để tổng hợp các chuỗi DNA với các chuỗi nucleotide lặp đi lặp lại vì chúng tập hợp lại và ngăn chặn quá trình xây dựng. Đây là một vấn đề nghiêm trọng vì bộ gen của các sinh vật sống thường chứa các chuỗi DNA dài, lặp đi lặp lại. Khi các nhà khoa học tìm cách tạo ra toàn bộ bộ gen từ đầu, đòi hỏi hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ cơ sở DNA, các phương pháp cải tiến mạnh mẽ để tổng hợp DNA là bắt buộc.

Tuần trước, DNA Script, một công ty có trụ sở tại Paris, Pháp, đã báo cáo rằng họ đã tổng hợp thành công chuỗi DNA 50 nucleotide từ lâu bằng cách sử dụng các phương pháp enzyme độc ​​quyền. Điều này có nghĩa là thay vì sử dụng hóa học phosphoramidite thông thường, họ đã sử dụng protein để tổng hợp DNA cho chúng mà không cần thuốc thử đắt tiền và trình tự trung gian không ổn định. Mặc dù 50 nucleotide nghe có vẻ không nhiều, và công nghệ vẫn chưa thể gần với khả năng tổng hợp phosphoramidite, công ty chỉ có thể tổng hợp chuỗi DNA 3 nucleotide bằng phương pháp này vào năm 2015.

Một lợi thế quan trọng mà quá trình tổng hợp DNA enzyme nắm giữ hóa học phosphoramidite là công nghệ, một khi được thu nhỏ, sẽ có thể rẻ hơn nhiều so với hóa học phosphoramidite vì nó không sử dụng thuốc thử hóa học tốn kém (và gây hại cho môi trường).

DNA Script không đơn độc trong nỗ lực của họ để mở khóa một cách tiếp cận mới, hiệu quả hơn để tổng hợp DNA. Nuclera Nucleics, một công ty có trụ sở tại Vương quốc Anh tự hào là Tiến sĩ George Church là cố vấn khoa học, cũng đang cạnh tranh để giành thị phần trong tương lai.

Tốc độ nghiên cứu tổng hợp DNA enzyme đang tiến triển với tốc độ chóng mặt trong giới học thuật, cũng vậy - vào thứ Hai, phòng thí nghiệm của Jay Keasling tại UC-Berkeley đã báo cáo một hệ thống tổng hợp DNA enzyme sử dụng nucleotide gắn vào protein polymerase để mở rộng chuỗi DNA. Công trình này, dẫn đầu bởi các sinh viên tốt nghiệp Daniel Arlow và Sebastian Palluk, chứng minh rằng hệ thống tổng hợp enzyme mới có thể thêm một cặp DNA cơ sở mới vào một chuỗi đang phát triển trong 10 trận20, và có thể làm như vậy mà không cần sử dụng thuốc thử độc hại từ phương pháp phosphoramidite.

Mặc dù phương pháp tổng hợp DNA enzyme này vẫn chưa đủ hiệu quả hoặc chính xác để tổng hợp bộ gen, nhưng vấn đề chỉ là thời gian trước khi bộ gen của sinh vật có thể được thiết kế và xây dựng từ đầu một cách nhanh chóng, hiệu quả - sử dụng enzyme hoặc hóa học phosphoramidite thông thường.

Liên minh Yeast 2.0 là một nỗ lực quốc tế đang diễn ra do Tiến sĩ Jef Boeke, nhà di truyền học tại Trung tâm y tế NYU Langone, xây dựng bộ gen của Saccharomyces cerevisiae, hoặc men làm bánh, hoàn toàn từ đầu bằng phương pháp hóa học. Dự án này đặc biệt tham vọng vì nấm men có hơn 12 triệu cơ sở DNA được tổ chức trên 16 nhiễm sắc thể khác nhau. Các đội tại Úc, Trung Quốc, Mỹ, Anh và Singapore đều chịu trách nhiệm xây dựng một phần của bộ gen. Nhiễm sắc thể tổng hợp đầu tiên cho tập đoàn Yeast 2.0 đã được hoàn thành vào tháng 3 năm 2014. Kể từ đó, năm nhiễm sắc thể bổ sung đã được hoàn thành.

Men của Baker, được sử dụng để sản xuất bia và làm bánh mì, là tâm điểm của dự án Yeast 2.0, nhằm mục đích tổng hợp toàn bộ bộ gen của nó bằng cách sử dụng tổng hợp DNA hóa học.

Không bao giờ nội dung để nghỉ ngơi, các nhà khoa học sẽ tiếp tục đẩy mạnh phong bì tổng hợp bộ gen. Một sáng kiến, vẫn còn trong giai đoạn trứng nước, được gọi là GP-Write. Dẫn đầu một phần bởi các Tiến sĩ. George Church và Jef Boeke, GP-Write nhằm mục đích khám phá các nguyên tắc sinh học hướng dẫn sẽ cho phép tổng hợp nhanh chóng, hiệu quả chi phí các bộ gen quy mô lớn từ đầu. Khi tập đoàn này phát triển và tiếp tục tuyển dụng các nhà khoa học hàng đầu từ khắp nơi trên thế giới, vấn đề chỉ còn là thời gian trước khi bộ gen của con người có thể được xây dựng hoàn toàn, có thể với phương pháp tổng hợp DNA enzyme đang được tiên phong ngày nay.

Bạn muốn cập nhật những tin tức mới nhất về khoa học và công nghệ?

Tham gia cùng chúng tôi trên Facebook

Theo dõi chúng tối trên Twitter.

Vỗ tay nếu bạn thích bài viết này và để lại nhận xét bên dưới với câu hỏi của bạn.