Các nhà khoa học tại Đại học Minnesota (Mỹ) vừa đánh dấu một cột mốc quan trọng trong lịch sử khoa học khi tạo ra SpudCell - tế bào tổng hợp đầu tiên trên thế giới được cấu thành hoàn toàn từ các hợp chất hóa học phi sinh học nhưng lại sở hữu khả năng kỳ diệu như tự ăn, tăng trưởng, sao chép DNA và phân chia.
Dù SpudCell chưa thể được xem là một sinh vật sống hoàn chỉnh do vẫn phụ thuộc vào nguồn dưỡng chất từ bên ngoài và khả năng tự duy trì còn hạn chế, đây vẫn là lần đầu tiên một cấu trúc phân tử được lắp ráp từ đầu có thể hoàn tất chu trình sinh học cơ bản.
Hình ảnh đầu tiên về SpudCell qua kính hiển vi. Ảnh: Orion Venero/Adamala Lab
Dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Kate Adamala, nhóm nghiên cứu sử dụng các túi lipid nhỏ gọi là liposome làm lớp màng, bao bọc bên trong là 7 đoạn DNA tổng hợp (plasmid) với khoảng 90.000 cặp base.
Thay vì sử dụng thành phần từ tế bào sống, các nhà khoa học đã chỉ định chính xác từng thành phần hóa học. Cơ chế "ăn" của tế bào này diễn ra thông qua việc hợp nhất với các túi chứa enzyme, ribosome từ vi khuẩn E. coli, đường và các phân tử thiết yếu, tạo tiền đề cho quá trình tăng trưởng, nhân đôi DNA và phân chia.
Một điểm độc đáo của SpudCell nằm ở phương thức phân chia. Thay vì dựa vào khung xương tế bào như các tế bào tự nhiên, nó sản sinh các protein chuyên biệt bám vào màng ngoài, tạo ra áp lực cơ học giúp màng co lại và tách thành hai tế bào con. Quá trình này có thể duy trì trong khoảng 5 thế hệ, với mỗi chu kỳ mất chừng 12 giờ ở nhiệt độ 30 độ C.
Nhóm nghiên cứu cũng ghi nhận hiện tượng chọn lọc hệ thống khi can thiệp di truyền để tế bào sản xuất nhiều protein hợp nhất hơn. Những tế bào này phát triển mạnh mẽ và chiếm ưu thế rõ rệt khi nguồn dinh dưỡng hạn chế, dù đây chưa phải là quá trình tiến hóa tự nhiên do biến thể được chủ động tạo ra.
Đối với Giáo sư Adamala, khoảnh khắc tận mắt chứng kiến tế bào phân chia mang lại cho bà cảm xúc mãnh liệt. "Chúng tôi đã tái tạo trong hóa học những gì trước đây chỉ có thể được thực hiện trong sinh học: toàn bộ tập hợp các hành vi của một tế bào", bà chia sẻ. "Việc tái tạo thành công toàn bộ hành vi của một tế bào bằng hóa học thuần túy chính là minh chứng cho thấy sự sống không cần đến "phép màu" nào cả".
Tuy nhiên, SpudCell vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, rất "yếu ớt" và chưa thể tự sản xuất ribosome hay tự đào thải chất thải, đòi hỏi phải được nuôi dưỡng trong môi trường phòng thí nghiệm kiểm soát nghiêm ngặt. Đây được xem là bộ khung nền tảng, cần được bổ sung nhiều module chức năng để trở nên hoàn thiện hơn trong tương lai.
Các chuyên gia quốc tế như John Glass từ Viện J. Craig Venter đã gọi đây là "sự kiện bước ngoặt" khi kết hợp các hệ thống phức tạp thành một thể thống nhất nhịp nhàng. Một số nhà khoa học khác cũng cho rằng, công trình giúp trả lời câu hỏi căn bản về nguồn gốc sự sống: Liệu các chức năng cơ bản có thể xuất hiện chỉ từ hóa học thuần túy hay không?
Hình ảnh quá trình tự phân chia của SpudCell qua kính hiển vi huỳnh quang. Ảnh: Đại học Minnesota
Nhằm thúc đẩy tiến trình nghiên cứu, Giáo sư Adamala và cộng sự đã thành lập tổ chức phi lợi nhuận mang tên Biotic, với tầm nhìn biến công nghệ SpudCell thành tài nguyên mở, vận hành tương tự như hệ điều hành Linux trong ngành phần mềm.
Mô hình này cho phép cộng đồng khoa học sử dụng miễn phí cho mục đích học thuật, trong khi vẫn có cơ chế bản quyền cho các ứng dụng thương mại, giúp tránh việc công nghệ bị kiểm soát bởi một vài tập đoàn lớn.
Tiềm năng của SpudCell trong tương lai là rất lớn, từ việc tạo ra các "nhà máy sinh học" mini sản xuất thuốc, vật liệu mới, nhiên liệu sinh học cho đến hỗ trợ thu giữ carbon. Nhờ việc nắm rõ công thức cấu tạo, các nhà khoa học có thể thiết kế tế bào theo ý muốn mà không bị giới hạn bởi các ràng buộc tiến hóa tự nhiên.
Nếu ví tế bào tự nhiên như một chiếc máy bay Boeing Dreamliner hiện đại thì SpudCell mới chỉ dừng lại ở vị thế chiếc máy bay Wright Flyer đầu tiên cất cánh. Dù còn một chặng đường dài phía trước, công trình này đã thiết lập một nền móng vững chắc cho tham vọng kiến tạo sự sống từ những viên gạch hóa học cơ bản nhất của nhân loại.