Synthetic Biology: Kỹ Thuật, Tiến Trình, Thành Qủa
Bài viết của TS. Sơn
Trong vài năm gần đây đã xuất hiện một diễn tiến khoa học tuy mới trong giai đoạn 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 chế tạo dược phẩm, tạo năng lượng và xử lý môi trường. Ðó là sự ra đời của bộ môn Synthetic Biology (Sinh học tổng hợp) hay còn gọi là Constructive Biology (Sinh học kiến tạo), dựa trên kỹ thuật tổng hợp và điều hòa gene. Trong bài này từ ngữ Synthetic Biology 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 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, chức năng 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 (biotechnology) trong gần 3 thập niên qua.
SB phát sinh từ nhu cầu ứng dụng các thành quả sinh học hiện đại để tiến lên một bình diện cao hơn (paradigm shift). SB 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), tin sinh học (bioinformatics), sinh học cấu trúc và điện tóan (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 (nhu 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 dùng BioBricks và 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).
Tiến Trình và Thành Qủa:
Ý niệm về SB hình thành từ giai đoạn khởi đầu của công nghệ gene khi các enzyme giới hạn (restriction enzymes) được Halmilton Smith khám phá và xử dụng vào năm 1978. Theo đó, chúng ta có thể cắt và ráp nối các đoạn gene để thay đổi hình thái và chức năng của chúng. Như đã nêu trên, phương pháp tách dòng cổ điển chỉ áp dụng được cho từng gene một. Thành qủa giải trình tự bộ gene của người, và của nhiều sinh vật khác, cũng như hiểu biết về chức năng và cơ chế điều hòa bộ gene, đã tạo điều kiện để các nhà nghiên cứu sinh học khai triển bộ môn SB trong khoảng 5 năm vừa qua. SB đã được thiết lập từ những đại học quốc tế như MIT, Ðại Học California ở Berkeley (UCB), Oxford với đóng góp của các nhà nghiên cứu tên tuổị. Craig Venter, người giải mã bộ gene nhân loại, đã ứng dụng SB để thiết lập tế bào có bô gene nhỏ nhất (minimum-genome) gồm khoảng trên 200 gene để nghiên cứu về nguồn gốc sự sống. Về thực dụng, tế bào này cung cấp hệ thống điều hòa gene và là một môi trường sạch (clean) rất tốt để tổng hợp chế phẩm dược liệu hay năng lượng với độ tinh khiết cao vì không có những sản phẩm phụ (by product) như ở E. coli và nấm men. ?Năm 2001, C. Venture đã thành lập công ty Synthetic Genomics và lên kế hoạch nghiên cứu SB để sản xuất, với công suất cao các hóa chất năng lượng (như hydrogen, ethanol) nhằm trong sạch hóa môi trường, và dự tính tiết kiệm được khoảng 20 tỷ USD hàng năm do giảm thiểu lượng xăng tiêu thụ ở Mỹ.
Triển vọng dùng phương pháp SB để tổng hợp và sản xuất dược chất trị liệu được khẳng định từ nghiên cứu tạo Artemisinin thành công của Jay Keasling ở Ðại Học California, Berkely năm 2003. Sau khi xác định được 12 gene tham gia trong tiến trình tổng hợp Artemisinin ở thực vật, Keasling đã tổng hợp được 9 trong số các gene này, và thiết lập một hệ điều hành SB để san xuất Artemisinin ở E. coli với năng suất gấp 10,000 lần so với hệ thực vật, và gần đây nhất là ở nấm men với năng suất tăng thêm 10 lần so với chủng E. coli. Thành qủa này đã mang lại cho Keasling giả thưởng nhà khoa học của năm (The Scientist of the Year 2006) năm 2006 do tập san khoa học Discovery bình chọn. ?Keasling và cộng sự cũng đã thành lập công ty Amyris Biotechnologies áp dụng SB cho việc tổng hợp Artemisinin, và đặc biệt là tiền chất ?(pro-compound) isopronoid với số lượng lớn để sản xuất (Hình 3). Dự tính có khoảng 50,000 dược liệu họ isopronoid có giá trị trị liệu cao đối với các bệnh như ung thư, huyết áp, tiểu đường, sốt rét; nhưng isopronoid chỉ tồn tại ở rất ít thực vật và với nồng độ thấp. Vì giá trị quan trọng này, hiệp hội Gate Foundation đã tài trợ 43 triệu USD để triển khai SB trong việc tổng hợp các dược chất trên.
SB cũng có những thành tựu nhiều hứa hẹn ở dòng E. coli từ các nghiên cứu của Christopher Voigt ở Ðại Học Y Khoa California, San Francsico (thường được biết là UCSF). Dùng phương pháp SB, Voigt đa tổng hợp các điện cực (sensor) để tạo một dòng E. coli mới có khả năng tìm kiếm và xâm nhập tế bào ung thư, sau đó phóng thích ra những hóa chất trị liệu tiêu hủy tế bào.
Ngoài ra, nhu cầu nghiên cứu SB cũng mang đến sự hình thành một số trung tâm, hãng công nghệ sinh học chuyên sản xuất gene và các vật liệu gene (parts) như BioBricks Foundation và Codon Devices.
Dự Phỏng Tương Lai:
Con đường phát triển SB chỉ mới ở giai đọan khởi đầu; việc chinh phục các khó khăn và các đề tài nghiên cứu SB trong tương lai sẽ thật hào hứng. Chỉ trong khoảng thời gian 5 năm ngắn ngủi vừa qua, SB đang tạo cho các nhà nghiên cứu sinh học một mền tảng kỹ thuật mới có khả năng thay đổi tế bào trên một bình diện rất rộng lớn so với các ứng dụng công nghệ gene từ trước tới nay. Từ khởi thủy, thiên nhiên đã không tạo dựng bộ gen hòan hảo cho con người cũng như cho mọi sinh vật khác. Có rất nhiều bệnh tật do sự sai lệch của bộ gene, và có rất nhiều khuyết điểm ở các sinh vật và cây cỏ vì bộ gene của chúng thiếu hiệu năng trong việc sản xuất. Kỹ thuật SB nhằm tái lập những bộ gene và làm hòan chỉnh như ý muốn để bù đắp những khuyết điểm của thiên nhiên. Những “sinh vật mới” này có khả năng tạo sản phẩm sinh hoc gồm tế bào, protein, dược chất, hoặc những hóa chất có năng xuất cao và hiệu ứng chuyên biệt, có công dụng thiết thực cho lãnh vực trọng yếu của xã hội như y tế, năng lượng và môi trường. Trên thực tế, cũng như mọi tiến bộ khoa học khác, nếu SB khẳng định được những giá trị nêu trên thì sẽ được sự tham gia tích cực của cộng đồng khoa học, và đóng góp của nhiều tầng lớp trong xã hội để những viễn tượng tốt đẹp của SB được thể hiện.
Vì hiệu ứng cao của SB, vấn đề an tòan và an ninh xã hội cần được đặt ra để ngăn ngừa sự tổng hợp những chủng virus có độc tố và khả năng gây dịch tễ; hoặc tạo các độc chất đe dọa sự an tòan của môi trường. Hiện nay tính an tòan của SB chỉ được sự lưu tâm của giới khoa học, và luật lệ điều hành SB được áp dụng từ luật lệ hiện dùng chung của kỹ thuật gene.
Ðối với ngành sinh học Việt Nam, vì tính ứng dụng cao của SB, chúng ta nên cứu xét các phương thức khả thi để hội nhập vào lãnh vực khoa học quan trọng nàỵ ?Các bạn trẻ cũng nên lưu tâm đến SB trong các chọn lựa tương lai, vì rất nhiều tiềm năng SB chưa được khai triển và trí tuệ Việt Nam có thể đóng góp vào sự tiến bộ này để mang lại lợi ích cho việc phát triển khoa học của đất nước. ?
Thái-Sơn NDT
Tokyo Jan. 7, 2007 ?
Tham khảo:
Baker, D. et al. Engineering Life: Building a FAB for Biology (2006). Scientific America, June 2006, 34-41.
Endy, D. Foundation for Engineering Biology (2005) Nature (2005) 24, Nov. 449-453
Anderson, J. C., Clarke, E. J., Arkin, A. P., & Voigt, C. A. (2006) Environmentally Controlled Invasion of Cancer Cells by Engineered Bacteria, Journal of Molecular Biology, 355 (4): 619-627.
http://openwetware.org/wiki/Main_Page
http://www.syntheticgenomics.com/pdf/Choetal.pdf
http://www.amyrisbiotech.com/news.html
Bài viết của TS. Sơn
Trong vài năm gần đây đã xuất hiện một diễn tiến khoa học tuy mới trong giai đoạn 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 chế tạo dược phẩm, tạo năng lượng và xử lý môi trường. Ðó là sự ra đời của bộ môn Synthetic Biology (Sinh học tổng hợp) hay còn gọi là Constructive Biology (Sinh học kiến tạo), dựa trên kỹ thuật tổng hợp và điều hòa gene. Trong bài này từ ngữ Synthetic Biology 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 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, chức năng 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 (biotechnology) trong gần 3 thập niên qua.
SB phát sinh từ nhu cầu ứng dụng các thành quả sinh học hiện đại để tiến lên một bình diện cao hơn (paradigm shift). SB 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), tin sinh học (bioinformatics), sinh học cấu trúc và điện tóan (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 (nhu 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 dùng BioBricks và 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).
Tiến Trình và Thành Qủa:
Ý niệm về SB hình thành từ giai đoạn khởi đầu của công nghệ gene khi các enzyme giới hạn (restriction enzymes) được Halmilton Smith khám phá và xử dụng vào năm 1978. Theo đó, chúng ta có thể cắt và ráp nối các đoạn gene để thay đổi hình thái và chức năng của chúng. Như đã nêu trên, phương pháp tách dòng cổ điển chỉ áp dụng được cho từng gene một. Thành qủa giải trình tự bộ gene của người, và của nhiều sinh vật khác, cũng như hiểu biết về chức năng và cơ chế điều hòa bộ gene, đã tạo điều kiện để các nhà nghiên cứu sinh học khai triển bộ môn SB trong khoảng 5 năm vừa qua. SB đã được thiết lập từ những đại học quốc tế như MIT, Ðại Học California ở Berkeley (UCB), Oxford với đóng góp của các nhà nghiên cứu tên tuổị. Craig Venter, người giải mã bộ gene nhân loại, đã ứng dụng SB để thiết lập tế bào có bô gene nhỏ nhất (minimum-genome) gồm khoảng trên 200 gene để nghiên cứu về nguồn gốc sự sống. Về thực dụng, tế bào này cung cấp hệ thống điều hòa gene và là một môi trường sạch (clean) rất tốt để tổng hợp chế phẩm dược liệu hay năng lượng với độ tinh khiết cao vì không có những sản phẩm phụ (by product) như ở E. coli và nấm men. ?Năm 2001, C. Venture đã thành lập công ty Synthetic Genomics và lên kế hoạch nghiên cứu SB để sản xuất, với công suất cao các hóa chất năng lượng (như hydrogen, ethanol) nhằm trong sạch hóa môi trường, và dự tính tiết kiệm được khoảng 20 tỷ USD hàng năm do giảm thiểu lượng xăng tiêu thụ ở Mỹ.
Triển vọng dùng phương pháp SB để tổng hợp và sản xuất dược chất trị liệu được khẳng định từ nghiên cứu tạo Artemisinin thành công của Jay Keasling ở Ðại Học California, Berkely năm 2003. Sau khi xác định được 12 gene tham gia trong tiến trình tổng hợp Artemisinin ở thực vật, Keasling đã tổng hợp được 9 trong số các gene này, và thiết lập một hệ điều hành SB để san xuất Artemisinin ở E. coli với năng suất gấp 10,000 lần so với hệ thực vật, và gần đây nhất là ở nấm men với năng suất tăng thêm 10 lần so với chủng E. coli. Thành qủa này đã mang lại cho Keasling giả thưởng nhà khoa học của năm (The Scientist of the Year 2006) năm 2006 do tập san khoa học Discovery bình chọn. ?Keasling và cộng sự cũng đã thành lập công ty Amyris Biotechnologies áp dụng SB cho việc tổng hợp Artemisinin, và đặc biệt là tiền chất ?(pro-compound) isopronoid với số lượng lớn để sản xuất (Hình 3). Dự tính có khoảng 50,000 dược liệu họ isopronoid có giá trị trị liệu cao đối với các bệnh như ung thư, huyết áp, tiểu đường, sốt rét; nhưng isopronoid chỉ tồn tại ở rất ít thực vật và với nồng độ thấp. Vì giá trị quan trọng này, hiệp hội Gate Foundation đã tài trợ 43 triệu USD để triển khai SB trong việc tổng hợp các dược chất trên.
SB cũng có những thành tựu nhiều hứa hẹn ở dòng E. coli từ các nghiên cứu của Christopher Voigt ở Ðại Học Y Khoa California, San Francsico (thường được biết là UCSF). Dùng phương pháp SB, Voigt đa tổng hợp các điện cực (sensor) để tạo một dòng E. coli mới có khả năng tìm kiếm và xâm nhập tế bào ung thư, sau đó phóng thích ra những hóa chất trị liệu tiêu hủy tế bào.
Ngoài ra, nhu cầu nghiên cứu SB cũng mang đến sự hình thành một số trung tâm, hãng công nghệ sinh học chuyên sản xuất gene và các vật liệu gene (parts) như BioBricks Foundation và Codon Devices.
Dự Phỏng Tương Lai:
Con đường phát triển SB chỉ mới ở giai đọan khởi đầu; việc chinh phục các khó khăn và các đề tài nghiên cứu SB trong tương lai sẽ thật hào hứng. Chỉ trong khoảng thời gian 5 năm ngắn ngủi vừa qua, SB đang tạo cho các nhà nghiên cứu sinh học một mền tảng kỹ thuật mới có khả năng thay đổi tế bào trên một bình diện rất rộng lớn so với các ứng dụng công nghệ gene từ trước tới nay. Từ khởi thủy, thiên nhiên đã không tạo dựng bộ gen hòan hảo cho con người cũng như cho mọi sinh vật khác. Có rất nhiều bệnh tật do sự sai lệch của bộ gene, và có rất nhiều khuyết điểm ở các sinh vật và cây cỏ vì bộ gene của chúng thiếu hiệu năng trong việc sản xuất. Kỹ thuật SB nhằm tái lập những bộ gene và làm hòan chỉnh như ý muốn để bù đắp những khuyết điểm của thiên nhiên. Những “sinh vật mới” này có khả năng tạo sản phẩm sinh hoc gồm tế bào, protein, dược chất, hoặc những hóa chất có năng xuất cao và hiệu ứng chuyên biệt, có công dụng thiết thực cho lãnh vực trọng yếu của xã hội như y tế, năng lượng và môi trường. Trên thực tế, cũng như mọi tiến bộ khoa học khác, nếu SB khẳng định được những giá trị nêu trên thì sẽ được sự tham gia tích cực của cộng đồng khoa học, và đóng góp của nhiều tầng lớp trong xã hội để những viễn tượng tốt đẹp của SB được thể hiện.
Vì hiệu ứng cao của SB, vấn đề an tòan và an ninh xã hội cần được đặt ra để ngăn ngừa sự tổng hợp những chủng virus có độc tố và khả năng gây dịch tễ; hoặc tạo các độc chất đe dọa sự an tòan của môi trường. Hiện nay tính an tòan của SB chỉ được sự lưu tâm của giới khoa học, và luật lệ điều hành SB được áp dụng từ luật lệ hiện dùng chung của kỹ thuật gene.
Ðối với ngành sinh học Việt Nam, vì tính ứng dụng cao của SB, chúng ta nên cứu xét các phương thức khả thi để hội nhập vào lãnh vực khoa học quan trọng nàỵ ?Các bạn trẻ cũng nên lưu tâm đến SB trong các chọn lựa tương lai, vì rất nhiều tiềm năng SB chưa được khai triển và trí tuệ Việt Nam có thể đóng góp vào sự tiến bộ này để mang lại lợi ích cho việc phát triển khoa học của đất nước. ?
Thái-Sơn NDT
Tokyo Jan. 7, 2007 ?
Tham khảo:
Baker, D. et al. Engineering Life: Building a FAB for Biology (2006). Scientific America, June 2006, 34-41.
Endy, D. Foundation for Engineering Biology (2005) Nature (2005) 24, Nov. 449-453
Anderson, J. C., Clarke, E. J., Arkin, A. P., & Voigt, C. A. (2006) Environmentally Controlled Invasion of Cancer Cells by Engineered Bacteria, Journal of Molecular Biology, 355 (4): 619-627.
http://openwetware.org/wiki/Main_Page
http://www.syntheticgenomics.com/pdf/Choetal.pdf
http://www.amyrisbiotech.com/news.html
