Nâng đôi khối xây dựng DNA của chúng ta có thể dẫn đến các hình thái mới của sự sống

Nếu bạn đơn giản hóa toàn bộ sinh học thành một phương trình, đó sẽ là DNA tạo ra RNA, RNA tạo ra protein, làm nên mọi thứ sống bạn có thể nhìn thấy, ngửi thấy, chạm vào, và nếm thấy (và nhiều thứ bạn không thể). Dogma trung tâm của sinh học này, dựa trên chuỗi Cs, Gs, As và Ts, đã thống trị từ khi Francis Crick, James Watson và Rosalind Franklin phát hiện ra cấu trúc xoắn kép của DNA cách đây 65 năm. Bây giờ điều đó đang thay đổi khi các nhà khoa học mở rộng mã gen của cuộc sống vượt ra ngoài bốn chữ cái mà tự nhiên cung cấp.

Vào thứ Năm, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu kỹ thuật DNA tổng hợp mới nhất: một hệ thống tổng hợp tám chữ cái được gọi là DNA “hachimoji”. Từ tiếng Nhật hachi có nghĩa là tám và moji có nghĩa là chữ, hệ thống này bao gồm bốn nucleotide tự nhiên và bốn nucleotide tổng hợp mà tất cả đều vừa vặn hoàn hảo vào cấu trúc xoắn của DNA, duy trì hình dạng tự nhiên của nó. Hơn nữa, các chuỗi được viết bằng những chữ mới này ghép đôi một cách dự đoán và có thể tiến hóa giống như DNA tự nhiên. Nghiên cứu được công bố trong số mới của Khoa học.

Trước đó, các nhà khoa học đã mở rộng bảng chữ cái gen thành sáu chữ cái, nhưng bổ sung mới nhất làm tăng gấp đôi lượng thông tin có thể mã hóa trong DNA tự nhiên, kiểm tra giới hạn của lưu trữ thông tin phân tử. Điều này có thể ảnh hưởng ngay lập tức đến ngành công nghiệp lưu trữ dữ liệu DNA mới nổi và sự tìm kiếm của NASA về sự sống ở nơi khác trong hệ mặt trời. Đây cũng là một bước lớn tiến về tầm nhìn xa vời về việc tạo ra các hình thái mới của sự sống - các hợp chất sử dụng một ngôn ngữ gen khác với ngôn ngữ được sử dụng bởi mọi sinh linh khác đã tiến hóa ở trên Trái đất.

“Sinh học được tối ưu hóa để làm những gì nó muốn làm, không phải những gì bạn muốn làm,” nói Steven A. Benner, một nhà sinh học tổng hợp tại Quỹ Tiến hóa Phân tử ứng dụng ở Gainesville, Florida, người đã lãnh đạo công việc. Trong nhiều thập kỷ, ông đã cố gắng tạo ra các hệ thống Darwin tổng hợp, để hiểu xem bốn chữ cái hóa học mà tự nhiên đã chọn có phải là ngôn ngữ của sự sống chỉ bằng sự tình cờ đơn giản. Đó có phải là, như Crick nổi tiếng đã đề xuất, chỉ là một “tai nạn đóng băng”?

“Bài báo này, lần đầu tiên, một cách rõ ràng trả lời câu hỏi đó,” nói Floyd Romesberg, một nhà sinh học tổng hợp tại Viện Nghiên cứu Scripps ở La Jolla, California, người không tham gia vào công việc nhưng đã tạo ra một ngôn ngữ gen nhân tạo riêng của mình. “Đã có gợi ý từ lâu rằng sự sống đã tiến hóa từ G, A, T, C, không phải vì chúng là nguyên liệu thô đúng đắn mà chỉ vì chúng đơn giản là có sẵn. Bốn chữ cái của Steve [S, P, Z, B], ít nhất là về mặt ổn định, mọi cách đều tương đương với bốn chữ cái của tự nhiên.”

Vậy bây giờ câu hỏi trở thành liệu việc mở rộng mã code tình cờ đó có thể làm cho DNA trở nên tốt hơn không. Có thêm chữ cái để làm việc lý thuyết cho phép hoàn toàn các phân tử mới không tồn tại trong tự nhiên - bất kỳ phân tử nào có thể hữu ích để tạo ra vật liệu mới, chẩn đoán bệnh, hoặc phát triển thuốc mới. Bảng chữ cái bốn chữ cái mang lại 64 mã codon có thể, tạo ra 20 axit amin, các khối xây dựng của protein. Sáu chữ cái đưa bạn lên 216 mã codon; tám làm nó lên 512. Nhưng điều đó hầu hết là vô nghĩa trừ khi có ai đó tạo ra máy tế bào có khả năng đọc hachimoji và sản xuất protein tổng hợp với các chức năng mới.

Giống như những nhà hóa học trong nửa cuối thế kỷ 20 đã sử dụng các chất tự nhiên có sẵn - ví dụ như penicillin từ một bát nước mầm “nấm,” hoặc pacliataxel từ vỏ của cây Pacific yew - và nghịch lý với chúng để làm cho chúng hoạt động tốt hơn trong cơ thể con người, các nhà sinh học hữu cơ muốn làm điều tương tự với protein. Với thêm nhiều khối xây dựng và các kỹ thuật mới để điều chỉnh tiến hóa, các nhà khoa học có thể trang bị cho protein những tính chất có lợi mà 20 axit amin trong cơ thể chúng ta không có sẵn. Bạn có thể coi những 20 axit amin đó như viên gạch nhẹ. Chúng tốt để xây dựng những ngôi nhà hai tầng. Nhưng nếu bạn muốn xây một tòa nhà chọc trời? Chúc may mắn.

Đây là nơi mà các nhà sinh hóa như Andrew Ellington đến. Phòng thí nghiệm của ông tại Đại học Texas đã tiến hóa enzym có thể biến đổi DNA hachimoji thành RNA, bước đầu tiên để tạo ra một protein. Ông và Benner cùng đồng nghiệp của họ đã sử dụng nó để tạo ra một chuỗi RNA tổng hợp giống như một chuỗi được tìm thấy trong rau cải và phát sáng màu xanh khi liên kết với một phân tử nhỏ, giống như đối tác tự nhiên của nó. Benner nói rằng họ cũng đã tạo ra RNA hachimoji có thể tìm kiếm và kết hợp với các khối u gan và tế bào ung thư vú trong một bát nước mầm. Trong tương lai, ông hy vọng rằng hachimoji của mình sẽ hữu ích trong việc phát hiện ung thư, virus, hoặc thậm chí là độc tố môi trường.

Benner có thêm những chữ cái đang chờ đợi ở đằng sau - một K và một X để thêm vào S, P, Z và B của mình, và ông cũng cho biết ông có kế hoạch thử nghiệm hachimoji của mình trong tế bào sống sớm thôi. Rào cản đó nên có thể vượt qua được. Romesburg của Scripps nói rằng ông đã thử nghiệm thành công bảng chữ cái sáu chữ cái của mình cả trong tế bào người và tế bào chuột lang trong công việc được hỗ trợ bởi công ty khởi nghiệp ông thành lập, có tên là Synthorx. Công ty ở giai đoạn đầu, đã huy động được 131 triệu đô la trong IPO của mình vào tháng 12, đang khám phá khả năng lừa dối tế bào bán tổng hợp để tiến hóa protein hoặc các phân tử khác để chống lại ung thư và các bệnh khác.

Tuy nhiên, thách thức thực sự nằm ở sự cần thiết của một lượng lớn cơ sở hạ tầng sinh học để sử dụng các ngôn ngữ gen mới. “Càng không tự nhiên ngôn ngữ trở nên, bạn càng phải kỹ thuật hóa các công cụ để sử dụng nó,” theo ông Benner.

Đó là lý do tại sao Ellington nhìn thấy một ứng dụng ngay lập tức hơn cho công nghệ trong lĩnh vực ngày càng phát triển của lưu trữ dữ liệu DNA. Cả các công ty công nghệ lớn và các công ty khởi nghiệp đều đang đánh giá xem nucleotide có thể vượt qua silic điều này khi nói đến việc lưu trữ thông tin lâu dài, lưu trữ lưu trữ. DNA nổi tiếng là mật độ dữ liệu cao, và sự xuất hiện của hachimoji chỉ làm tăng gấp đôi khả năng chứa thông tin của nó.

Phòng thí nghiệm của Ellington đang kỹ thuật hóa một thư viện enzym để đọc và viết không chỉ DNA tự nhiên và hachimoji, mà bất kỳ loại bảng chữ cái nào ông dự đoán trong tương lai. “Chúng tôi bắt đầu nghĩ về nó như một 'mật mã di truyền',” ông nói. Ý tưởng là xây dựng máy móc cần thiết để đọc và viết ngôn ngữ DNA độc quyền. Với mật mã di truyền, IBM có thể có bảng chữ cái gen độc quyền của riêng mình mà không ai khác có thể dịch được. Cũng như Trung Quốc. “Bảng chữ cái mở rộng mang lại cho bạn cơ hội để tạo ra những thứ lớn hơn, tốt hơn, mạnh mẽ hơn, nhanh chóng hơn nói chung.”

Cập nhật ngày 09-12-19, 3:30 chiều EST: Câu chuyện này đã được cập nhật để sửa số mã codon có thể với bảng chữ cái gen mở rộng.

Những điều tuyệt vời khác từ Mytour

• Dun dun. Dun dun! Bộ gen cá mập trắng lớn đây rồi
• Chính trị danh tính sẽ buộc tâm trí cứng nhắc phải thích ứng?
• AR sẽ khơi nguồn nền tảng công nghệ lớn tiếp theo—thế giới gương
• 7 máy pha cà phê lạnh tốt nhất bạn có thể mua
• Bên trong cuộc đẩy mạnh để hợp pháp hóa nấm ma thuật
• 👀 Tìm kiếm các công nghệ mới nhất? Xem các hướng dẫn mua sắm và các ưu đãi tốt nhất của chúng tôi quanh năm
• 📩 Muốn thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và đừng bao giờ bỏ lỡ câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi