Vi khuẩn được tạo ra từ 19 axit amin bất chấp định luật cơ bản của sinh học
Các nhà nghiên cứu đã tìm cách làm cho vi khuẩn hoạt động chỉ với 19 axit amin thay vì 20 axit amin duy trì mọi dạng sống được biết đến. Kỳ tích này thể hiện một cột mốc quan trọng trong kỹ thuật di truyền và đặt câu hỏi về một trong những nguyên tắc vững chắc nhất của sinh học hiện đại. Thí nghiệm mở ra cánh cửa để hiểu rõ hơn về nguồn gốc của sự sống và cách thiết kế lại nó trong phòng thí nghiệm.
Khám phá này cho thấy mã di truyền không cứng nhắc như người ta vẫn nghĩ trước đây. Các nhà khoa học đã loại bỏ một trong 20 axit amin tiêu chuẩn và làm cho vi khuẩn sản xuất ra các protein chức năng ngay cả khi không có thành phần này. Kết quả cho thấy sự sống có tính linh hoạt hơn khoa học tưởng tượng trước đây.
Thí nghiệm được tiến hành như thế nào
Các nhà nghiên cứu đã loại bỏ serine, một trong những axit amin được coi là thiết yếu. Sau đó, họ lập trình lại mã di truyền của vi khuẩn để chúng không cố gắng tổng hợp protein này. Các tế bào có thể sinh sản và thực hiện các chức năng quan trọng một cách bình thường. Các thử nghiệm kéo dài qua nhiều thế hệ, xác nhận rằng sự thích ứng không phải là tạm thời hoặc ngẫu nhiên.
Thêm về chủ đề này: Các nhà khoa học lập trình lại bộ gen vi khuẩn để hoạt động với 19 axit amin trong đột phá công nghệ sinh học
Chiến lược này liên quan đến việc sửa đổi chính xác DNA của vi khuẩn. Các nhà khoa học đã vô hiệu hóa các gen chịu trách nhiệm sản xuất serine và viết lại các hướng dẫn cho RNA thông tin. Bằng cách này, bộ máy tế bào của vi khuẩn không còn nhận ra codon thường kích hoạt sự đưa vào axit amin này nữa. Hệ thống hoạt động theo đúng kế hoạch mà không có tế bào nào bị suy giảm quá trình trao đổi chất.
Ý nghĩa đối với sinh học tổng hợp
Công việc này mở ra những chân trời mới cho các kỹ sư di truyền. Nếu sinh vật có thể sống nhờ 19 axit amin, có lẽ chúng có thể được lập trình để sử dụng các hợp chất hoàn toàn nhân tạo. Các nhà nghiên cứu đang khám phá khả năng tạo ra protein với các nguyên tố không tồn tại trong tự nhiên. Sự sống hoàn toàn tổng hợp có thể có những đặc tính và chức năng chưa từng có.
Ứng dụng thực tế vượt xa sự tò mò khoa học. Protein tùy chỉnh có thể được sử dụng trong y học, dược phẩm và công nghệ sinh học. Các sinh vật được thiết kế lại có thể sản xuất thuốc, nhiên liệu hoặc vật liệu không phân hủy sinh học hiệu quả hơn. Việc kiểm soát những gì vào và ra khỏi mã sự sống cho phép đạt được độ chính xác chưa từng có trong sản xuất sinh học.
Tìm hiểu mã di truyền truyền thống
20 axit amin được biết đến là nền tảng của mọi sinh học. Từ vi khuẩn đến con người, sự kết hợp này thực tế là phổ biến. Tế bào đọc DNA, dịch thông tin di truyền và lắp ráp protein bằng cách sử dụng các khối xây dựng tương tự. Sự tiêu chuẩn hóa này cơ bản đến mức các nhà khoa học trong nhiều thập kỷ coi nó là bất biến.
Axit amin hoạt động giống như các chữ cái trong bảng chữ cái. Giống như bảng chữ cái tiếng Bồ Đào Nha có 26 chữ cái, mã sự sống sử dụng 20 axit amin để viết hàng triệu loại protein khác nhau. Mỗi sự kết hợp tạo ra một loại protein có chức năng cụ thể. Loại bỏ một chữ cái sẽ tạo ra sự hỗn loạn phân tử. Thí nghiệm cho thấy rằng đây không phải là trường hợp.
Xem Thêm
Bão Lala đổ bộ Hawaii với sức gió 120 km/h, khiến các sân bay phải đóng cửa
Cựu ngôi sao quyền anh Prichard Colón mất mạng ở tuổi 33 do chấn thương trên võ đài
Lỗi pin buộc BYD phải thu hồi 88.000 chiếc Qin Plus DM-i
Tìm hiểu thêm: Các nhà khoa học California khám phá cơ chế ‘viên nang thoát hiểm’ được vi khuẩn sử dụng để tồn tại
Những câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ
- Các axit amin khác có thể được loại bỏ theo cách tương tự?
- Vi khuẩn có ít hơn 18 axit amin có thể tồn tại được không?
- Hiệu suất trao đổi chất có giảm khi loại bỏ một axit amin không?
- Axit amin nào dễ loại bỏ nhất mà không ảnh hưởng đến sự sống?
Nghiên cứu này tiết lộ điều gì về nguồn gốc sự sống
Khám phá này có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm hiểu sự sống bắt đầu như thế nào. Nếu mã di truyền không yêu cầu chính xác 20 axit amin thì có lẽ giai đoạn đầu đời chỉ cần một tập hợp nhỏ hơn. Những sinh vật đầu tiên có thể chỉ sử dụng khoảng 5 hoặc 10 thành phần hóa học. Trải qua hàng tỷ năm, sự sống sẽ ngày càng phức tạp hơn, không phải do nhu cầu sinh học tuyệt đối mà do cơ hội tiến hóa.
Quan điểm này thay đổi cách các nhà khoa học nghĩ về sự tiến hóa. Không phải một sự sắp xếp nhất định đã tạo ra sự sống mà là một hệ thống linh hoạt có khả năng thay đổi và thích ứng. Tính dư thừa và tính linh hoạt là đặc điểm của sinh học, không phải là ngoại lệ. Thiên nhiên đã xây dựng nên một quy tắc chấp nhận sự thay đổi, cho phép đổi mới mà không phá hủy.
Các thí nghiệm trong tương lai có thể kiểm tra các sinh vật có 18, 17 hoặc thậm chí 10 axit amin. Mỗi sự quy giản sẽ tiết lộ thành phần nào thực sự không thể thiếu và thành phần nào chỉ là truyền thống tiến hóa. Sự hiểu biết này cho phép chúng ta thiết kế các sinh vật tối giản, có khả năng thực hiện các chức năng cụ thể với hiệu quả tối đa. Về mặt sinh học, một sinh vật sống dựa trên 10 axit amin là có thể tồn tại được, chỉ là nó chưa bao giờ được tự nhiên lựa chọn vì 20 axit amin đó hoạt động tốt.
Các ứng dụng công nghiệp đang được phát triển
Các công ty công nghệ sinh học đã thể hiện sự quan tâm đến những phát hiện này. Các sinh vật được sắp xếp hợp lý sẽ rẻ hơn để duy trì, cần ít chất dinh dưỡng hơn và tạo ra ít chất thải hơn. Một vi khuẩn có 15 axit amin sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn một vi khuẩn có 20 axit amin. Điều này giúp tiết kiệm đáng kể trong các nhà máy sinh học quy mô lớn. Thuốc, vitamin và enzyme có thể được sản xuất nhanh hơn và với chi phí môi trường thấp hơn.
Liệu pháp gen cũng có thể có lợi. Việc đơn giản hóa mã di truyền giúp việc đưa DNA biến đổi vào tế bào người trở nên an toàn hơn. Một bộ gen nhỏ gọn hơn làm giảm nguy cơ đột biến ngẫu nhiên. Các nhà nghiên cứu làm việc trên các phiên bản virus đã được chỉnh sửa, loại bỏ các gen nguy hiểm trong khi vẫn duy trì khả năng cung cấp liệu pháp gen. Việc xác nhận rằng các axit amin có thể được loại bỏ mà không phá hủy tế bào mang lại sự chắc chắn về mặt lý thuyết cho những thí nghiệm này.
