Những ý kiến của giới khoa học về công trình tế bào nhân tạo

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm
Craig Venter người tạo ra các tế bào vi khuẩn nhân tạo: những tế bào này trong tương lai sẽ có thể sản xuất năng lượng tái sinh. Nguồn: M. HOUSTON/AP; SCIENCE/AAAS

Những thách thức hiện nay trong sinh học nhân tạo

Tuần vừa qua, nhóm nhà khoa học dưới sự lãnh đạo của Craig Venter đã cấy chuyển thành công một bộ gene tổng hợp vào một tế bào prokaryote nhận D. G. Gibson et al. Science. Đây là một thành tựu kỹ thuật sinh học nhân tạo bao gồm 2 bước: 1) tổng hợp chính xác bộ gene của loài vi khuẩn Mycoplasma mycoides (với 1.08 triệu cặp nucleotide và có sửa đổi đôi chút so với tự nhiên); 2) biến nạp thành công vào tế bào một loài vi khuẩn khác Mycoplasma capricolum, và sau đó chứng minh được rằng các thế hệ tế bào mới sản sinh mang những đặc tính của loài M. mycoides.

Ngay sau đó, nhiều nhà sinh học đã nhanh chóng phản bác rằng công trình này chưa thực sự là tổng hợp sự sống hay tổng hợp tế bào. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên một sinh vật tiếp nhận thành công DNA được tổng hợp với trình tự xác định, dù rằng trình tự này là từ một loài đã tồn tại tự nhiên chứ không phải thiết kế nhân tạo. Thành tựu này trong lĩnh vực sinh học nhân tạo lại một lần nữa làm khơi mào lại những tranh luận về các vấn đề liên quan đến đạo đực, xã hội trong công nghệ sinh học. Đã đến lúc những chúng ta cần phải tìm được những đồng thuận về vấn đề này.

Thực tế, các nghiên cứu sinh học nhân tạo có được sự ủng hộ của Liên minh châu Âu, Hoa Kỳ và Trung Quốc (ớ mức độ thấp hơn). Tuy nhiên, chưa một quốc gia nào sẵn sàng xây dựng một hiệp định khung quốc về tiêu chuẩn quản lý đối với lĩnh vực này.

Vấn đề nguy hiểm hiện nay là sự phát triển không kiểm soát của các nghiên cứu sinh học nhân tạo. Mặc dù công nghệ tổng hợp và cấy chuyển toàn bộ hệ gene đòi hỏi các trang bị nhất định đối với đa số các phòng thí nghiệm sinh học hiện nay nhưng kỹ thuật này sẽ trở nên cực kỳ phổ biến trong 5 năm tới. Nguy cơ về những thí nghiệm sinh học nguy hiểm được tiến hành trái phép đã cần phải được cảnh giác. Dù biết rõ tầm quan trọng của khoa học, hầu hết các trường ĐH và nhà khoa học hiện nay không ý thức đầy đủ về rủi ro này. Các chính phủ cũng vậy. Nguy cơ xuất hiện những cơ thể sinh học tổng hợp gây hại được tạo ra bởi các "hacker sinh học" đòi hỏi thiết lập một mạng lưới kiểm soát toàn cầu hữu hiệu. Trong lúc này, tổng thống Mỹ Barack Obama đã yêu cầu hội đồng đạo đức sinh học đánh giá tầm quan trọng của ngành sinh học tổng hợp và đưa ra bản phúc trình đầy đủ trong 6 tháng tới. Các tổ chức đạo đức, môi trường, y tế và thương mại liên quan cũng được yêu cầu tham gia thảo luận.

Một điều chắc chắn rằng khi mà các ảnh hưởng được nhận thức và kiểm soát thỏa đáng, ngành sinh học nhân tạo sẽ đem lại những bước phát triển khoa học công nghệ ảnh hưởng to lớn đời sống con người. Tính đến nay, chưa một thỏa thuận ràng buộc về tính đạo đức và xã hội được thực thi. Tuy nhiên, những quan ngại hiện giờ về sinh học tổng hợp có thể an tâm phần nào vì thực tế rằng tính phức tạp của các tổ chức cơ thể yêu cầu nhiều đột phá về công nghệ và kỹ thuật mới có thể tạo ra các tế bào nhân tạo thực sự.

Hệ gene tổng hợp mở ra những mục tiêu mới của CNSH

"Thành tựu trong việc tổ hợp hệ gene nhằm tái điều khiển một tế bào thân cận là một bước trên con đường dài để đi đến tế bào nhân tạo."

Sinh học nhân tạo là một lĩnh vực với mục tiêu cực kỳ tạo báo nhưng hữu dụng: nhằm tái thiết kế những cấu trúc của sự sống phục vụ nhu cầu loài người. Đây cũng là một nỗ lực nhằm thách thức các tiêu chí rành mạch phân biệt sự sống tự nhiên và nhân tạo.

Những công bố tuần trước của nhóm nhà khoa học Hoa Kỳ về việc họ đã tạo ra một phiên bản hóa tổng hợp của hệ gene vi khuẩn và sử dụng nó để điều khiển một tế bào của một loài vi khuẩn thân cận là một thành tựu trong cả 2 kỹ thuật công nghệ trên. Thành công của nhóm đã cung cấp những công cụ để sửa đổi hệ gene ở phạm vi rộng hơn so với các kỹ thuật hiện nay. "Tôi nghĩ đã là một kỹ thuật quan trọng trong mục tiêu tái thiết kế hoàn toàn hệ gene", Ron Weiss, một nhà nghiên cứu sinh học nhân tạo tại Viện công nghệ Massachusetts (MIT). Thành tựu cũng cho thấy còn nhiều thách thức và khó khăn trên con đường mà các nhà khoa học về sinh học nhân tạo đang nghiên cứu.

Daniel Gibson tại Viện nghiên cứu J. Craig Venter ở Rockland, Maryland, và các cộng sự của anh đã bắt đầu bằng với những trình tự hệ gene có mức độ chính xác cao mà họ đã xác định từ loài vi khuẩn Mycoplasma mycoides. Sử dụng trình tự này làm khuôn mẫu, họ đã tổng hợp những đoạn DNA ngắn với chiều dài khoảng 1,000 nucleotide, từ một công ty xác định trình tự DNA, và biến nạp chúng vào một tế bào nấm men. Trong tế bào nấm men, một bộ máy di truyền đặc thù đã ghép nối các đoạn DNA này thành một phiên bản của hệ gene M. mycoides tự nhiên. Cuối cùng, các nhà khoa học đã cấy chuyển hệ gene tổng hợp dài 1.1 triệu nucleotide này vào trong những tế bào của một loài vi khuẩn thân cận, Mycoplasma capricolum. Mặc dù chỉ có hệ gene của tế bào mới này là được thiết kế nhân tạo, nhưng các nhà khoa học coi toàn bộ tế bào là "nhân tạo" vì rằng các cấu trúc phân tử của tế bào này nhanh chóng mang các đặc tính của loài M. mycoides. "Bằng việc thay đổi nhiễm sắc thể trong tế bào, chúng tôi đã biến đổi hoàn toàn một tế bào này thành một tế bào khác" Venter đã nhận định như vậy trong buổi họp báo.

Nhóm nghiên cứu đã khắc phục nhiều khó khăn để đến được thành tựu này. Ở những giai đoạn cuối của dự án, những nỗ lực hàng tháng trời để cấy chuyển hệ gene tổng hợp vào các tế bào sống bị thất bại do những sai sót trong trình tự DNA. Thủ phạm là việc mất một nucleotide đơn trong gene liên quan đến quá trình sao chép nhiễm sắc thể. Sau cùng, khi hệ gene hoạt động, các tế bào nhận đã phát triển thành những vi khuẩn sống, có khả năng sinh sản và biểu hiện những đặc tính của DNA tổng hợp nhân tạo."Đây là một đỉnh cao của lĩnh vực sinh học nhân tạo hiện nay ở mức độ hệ gene", James Collins, một nhà kỹ sư sinh-y ở ĐH Boston bang Massachusetts, đã nhận định.

Những ứng dụng của công nghệ này có thể tạo ra phương thức sản xuất năng lượng mới, các vật chỉ thị mới để kiểm soát biến đổi môi trường hoặc các nhà máy vi khuẩn tổng hợp dược phẩm. Thách thức kế tiếp là làm sao tạo điều kiện cho các gene nhân tạo có thể tương tác lẫn nhau trong các hệ thống phức tạp nhắm tạo ra những tính trạng mong muốn. Hiện nay, các nhà khoa học mới có thể thiết kế được những vật chất di truyền có chiều dài từ 15,000 đến 25,000 nucleotide với từ 6 đến 10 vùng điều hòa (promoter). Weiss cho rằng "hiện nay chưa nhà khoa học nào có thể khiến các vật chất di truyền có kích thước lớn hơn hoạt động". Vấn đề khó khăn là xác định những đặc tính quan tâm được điều khiển bởi nhiều gene, và phối hợp những gene này vào một hệ thống hoạt động thậm chí còn khó hơn nhiều. "Khiến những gene mới hoạt động đồng thời là một thách thức lớn hiện nay" nhà khoa học này kết luận.

Weiss cho rằng lĩnh vực này cuối cùng rồi sẽ thành công, tuy nhiên không phải nhà khoa học nào cũng cho rằng việc xen cài những yếu tố di truyền này vào một hệ gene tổng hợp sẽ hiệu quả hơn việc sửa đổi đơn giản các hệ gene tự nhiên. Nhà di truyền học George Church từ ĐH Harvard tại Boston thừa nhận "Tôi cho rằng khó quyết định trong sinh học nhân tạo là bạn nên tổng hợp toàn bộ hệ gene hay chỉ tổng hợp những phần mà bạn cần thay đổi".

Một số nhà quan sát lo ngại khả năng tái tạo những sinh vật chỉ từ những dữ liệu di truyền sẽ cho phép những nhóm khủng bố sinh học có thể tổng hợp các vi sinh vật gây hai trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, điều này vẫn cần những phát triển kỹ thuật nhất định. Một vấn đề rõ ràng hơn, Mildred Cho, một nhà đạo đực sinh học từ trường ĐH Stanford bang California, cho rằng các sinh vật tạo ra trong phòng thí nghiệm có thể vô tình thoát ra và phát tán những đoạn DNA vốn dùng như chỉ dấu di truyền vào thế giới tự nhiên. Để phản ứng lại thông cáo khoa học của nhóm Venter, tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama đã yêu cầu hội đồng tư vấn về đạo đức sinh học tìm hiểu các ảnh hưởng của nghiên cứu và phúc trình đầy đủ trong 6 tháng tới.

Ngoài những ứng dụng, các kỹ thuật này cho phép nhà khoa học có thể tiếp cận những vấn đề cơ bản, bao gồm mục đích dài hạn của nhóm Venter là tổng hợp một hệ gene với số lượng tối thiểu cho phép một tế bào duy trì sự sống. Christopher Voigt, một nhà sinh học tổng hợp tại ĐH California, San Francisco cho rằng những kỹ thuật này một ngày nào đó cũng cho phép các nhà khoa học tái tạo một sinh vật đã tuyệt chủng, hoặc hệ thống lại sự đa dạng của các loài chỉ đơn giản bằng cách lưu trữ các trình tự di truyền.

Những khả năng trên vẫn còn khá xa vời. Cho đến nay, chỉ một vài phòng thí nghiệm có khả năng xác định toàn bộ trình tự hệ gene, và Gibson, Venter cùng cộng sự mới chỉ thành công với những sinh vật đơn giản. Nhóm tác giả đã sử dụng những tính năng của cỗ máy di truyền của nấm nem trong việc tái sắp xếp hệ gene tổng hợp của họ. Tuy nhiên, nấm men với nhiễm sắc thể lớn nhất chỉ khoảng 2 triệu nucleotide khó có thể tái tổ hợp hệ gene có kích thước lớn hơn. "Tuy nhiên, với 2 triệu nucleotide là kích thước hoàn toàn có thể đạt được", Gibson tuyên bố, "và có rất nhiều loài vi khuẩn hữu ích nằm trong khoảng đó".

Sức mạnh và những nguy cơ

  • Mark Bedau, giáo sư triết học và nhân chủng học, Reed College, Oregon

"Tế bào tổng hợp" do Craig Venter và cộng sự tạo ra là một loài vi khuẩn thông thường với một hệ gene nhân tạo. Vì rằng hệ gene chỉ chiếm khoảng 1% trọng lượng khô của tế bào, nên thực tế chỉ một phần nhỏ của tế bào là nhân tạo. Tuy nhiên, hệ gene là thành phần cốt lõi do nó chứa các thông tin di truyền điều khiển rất nhiều cấu trúc và chức năng của tế bào.

Khả năng tạo hệ gene nhân tạo đánh dấu một thành tự đáng kể so với các kỹ thuật di truyền cổ điển khi thao tác trên những gene riêng lẻ. Hệ gene nhân tạo chứa tất cả thông tin của một hệ gene tự nhiên mà nó kế thừa, ngoại trừ một số sửa đổi nhỏ (ví dụ thêm vào một số chỉ dấu di truyền). Tuy nhiên không có bất kỳ lý do kỹ thuật nào có thể gây trở ngại ở bước này, bất kỳ thông tin nào trên hệ gene nhân tạo đều có thể được sửa đổi. Tế bào nhân tạo tiếp theo sẽ có những đặc tính chưa từng có trong lịch sử tự nhiên.

Việc đưa hệ gene nhân tạo vào tế bào đã nảy sinh những vấn đề về khoa học và xã hội, bên ngoài công nghệ sinh học nói chung và kỹ thuật di truyền nói riêng. Dưới đây tôi chỉ đề đến đến 4 vấn đề.

Đầu tiên, chúng ta hiện nay có một cơ hội chưa từng có để nghiên cứu về sự sống. Khả năng điều khiển hoàn toàn thông qua hệ gene đã cung cấp cơ hội tuyệt vời để khai mở những điều bí ẩn hiện nay về cách thức hoạt động của hệ gene.

Thứ hai, thậm chí ở trong những dạng sống đơn giản nhất vẫn còn những đặc tính nổi bật không dự đoán được. Những đặc tính này thường là hữu dụng và chúng ta muốn điều khiển chúng. Tuy nhiên, tính bất khả đoán đã gây những khó khăn lớn đối với kỹ thuật truyền thống. Chúng ta phải phát triển và hoàn thiện phương pháp này để điều khiển và sử dụng các đặc tính hữu ích.

Thứ ba, những sức mạnh mới tạo ra những trách nhiệm mới. Không ai bảo đảm những hậu quả của việc tạo ra các dạng sống mới, và chúng ta phải xác định những điều không trông đợi và không lường trước. Điều này đòi hỏi những cách tân cơ bản về cách thức phân tích rủi ro và tính toán phóng ngừa.

Cuối cùng, một hệ gene tổng hợp thúc đẩy tương lai một ngày dạng sống có thể được tạo ra hoàn toàn từ những vật liệu vô sinh. Khi đó, nó sẽ hồi sinh lại những vấn đề nền tảng về tầm quan trọng của sự sống - sự sống là gì, tại sao lại quan trọng và vai trò cần thiết của con người trong tương lai. Mặc dù những câu hỏi này vẫn còn đang mâu thuẫn và khó giải quyết, toàn xã hội vẫn sẽ được lợi từ những nỗ lực như vậy.

Các văn bản điều trần của những nhóm nghiên cứu về tế bào nhân tạo tại Hạ viện Hoa Kỳ

Các bản điều trần:

  • J. Craig Venter, Ph.D., Founder, Chairman, and President, J. Craig Venter Institute
  • Jay D. Keasling, Ph.D., Acting Deputy Director, Lawrence Berkeley National Laboratory
  • Drew Endy, Ph.D., Assistant Professor, Stanford University
  • Gregory E. Kaebnick, Ph.D., Editor, Hastings Center Report, Associate for Philosophical Studies, The Hastings Center
  • Anthony S. Fauci, M.D., Director, National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health