Sinh học tổng hợp (Synthetic Biology) là gì?

  Sinh học tổng hợp (Synthetic Biology) là một lĩnh vực tiên tiến kết hợp sinh học, kỹ thuật và tin học để thiết kế và tạo ra các hệ thống sinh học nhân tạo hoặc cải tiến sinh vật sống. Bằng cách ứng dụng các công nghệ như chỉnh sửa gen, lắp ráp DNA và lập trình sinh học, sinh học tổng hợp đang mở ra nhiều cơ hội đột phá trong y học, nông nghiệp, công nghiệp và bảo vệ môi trường.

Sinh học tổng hợp (Synthetic Biology) là gì?

Các khái niệm về SynBio như được hiểu một cách rộng rãi cho thấy một số yếu tố phổ biến mà được phản ánh trong các định nghĩa khác nhau đã được đề xuất theo thời gian:

Sinh học tổng hợp là một thiết kế và xây dựng các bộ phận sinh học mới, các thiết bị và hệ thống và b) việc tái thiết kế các hệ thống sinh học tự nhiên hiện có cho các mục đích hữu ích.” Nguồn: www.SyntheticBiology.org

Sinh học tổng hợp là thiết kế có chủ ý và xây dựng các hệ thống sinh học và sinh hoá tùy chỉnh để thực hiện các chức năng mới hoặc được cải thiện. Nguồn Học viện liên Khoa học

Sinh học tổng hợp là một lĩnh vực mới nổi của nghiên cứu rộng rãi có thể được mô tả như là việc thiết kế và xây dựng các con đường sinh học nhân tạo mới, sinh vật hoặc các thiết bị, hoặc thiết kế lại hệ thống sinh học tự nhiên hiện có. Nguồn: Anh Royal Society

SynBio là việc áp dụng khoa học, công nghệ và kỹ thuật để tạo thuận lợi và thúc đẩy việc thiết kế, sản xuất và / hoặc sửa đổi các vật liệu di truyền ở sinh vật sống để thay đổi cuộc sống hay không sống có nguyên liệu. Nguồn: Châu Âu

Sinh học tổng hợp là các kỹ thuật sinh học: sự tổng hợp phức tạp, dựa trên sinh học (hay cảm hứng) hệ thống mà hiển thị các chức năng mà không tồn tại trong tự nhiên. Quan điểm kỹ thuật này có thể được áp dụng ở tất cả các cấp trong hệ thống các cấu trúc sinh học – từ phân tử riêng lẻ cho toàn bộ các tế bào, mô và các sinh vật. Về bản chất, sinh học tổng hợp sẽ cho phép thiết kế của ‘hệ thống sinh học’ trong một cách hợp lý và có hệ thống.” Nguồn: Cao cấp Expert Ủy ban châu Âu Nhóm.

Theo nhóm chuyên gia cao cấp EC2005: Sinh học tổng hợp là kỹ thuật sinh học: tổng hợp các hệ thống phức tạp, dựa trên sinh học (hoặc lấy cảm hứng), có các chức năng không tồn tại trong tự nhiên. Quan điểm kỹ thuật này có thể được áp dụng ở tất cả các cấp bậc của các cấu trúc sinh học – từ các phân tử riêng lẻ đến toàn bộ tế bào, các mô và các sinh vật. Về bản chất, sinh học tổng hợp sẽ cho phép thiết kế ‘hệ thống sinh học’ một cách hợp lý và có hệ thống.”

Cơ sở khoa học của sinh học tổng hợp

Sinh học tổng hợp dựa trên nhiều công nghệ tiên tiến, bao gồm:

• Công nghệ DNA tái tổ hợp: Cho phép cắt ghép, chỉnh sửa và tổng hợp các đoạn DNA mới.
• Kỹ thuật CRISPR-Cas9: Dùng để chỉnh sửa gen chính xác.
• Hệ thống gene tổng hợp: Thiết kế và lắp ráp các chuỗi gene nhân tạo.
• Tin sinh học (Bioinformatics): Sử dụng thuật toán và mô phỏng máy tính để thiết kế và phân tích các hệ gene.
• Tế bào nhân tạo: Xây dựng các tế bào tổng hợp với bộ gene được thiết kế từ đầu.

Nguyên tắc cốt lõi của sinh học tổng hợp

Sinh học tổng hợp tuân theo một quy trình có hệ thống tương tự như trong kỹ thuật và thiết kế công nghiệp.

Thiết kế (Design)

Giai đoạn này liên quan đến việc lên kế hoạch và thiết kế các bộ phận sinh học (DNA, enzyme, protein, vi khuẩn, tế bào…) để thực hiện một chức năng cụ thể.
Các nhà khoa học sử dụng công cụ tin sinh học (bioinformatics) và mô phỏng máy tính để tối ưu hóa thiết kế gene hoặc protein.

Một số phần mềm hỗ trợ thiết kế trong sinh học tổng hợp gồm:

• Benchling: Công cụ thiết kế DNA, RNA, protein.
• SnapGene: Thiết kế và chỉnh sửa plasmid DNA.
• Geneious: Hỗ trợ phân tích và mô phỏng hệ gene.

Xây dựng (Build)

Sau khi thiết kế, các nhà khoa học tiến hành tổng hợp và lắp ráp DNA hoặc các bộ phận sinh học mong muốn.

Các phương pháp phổ biến bao gồm:

• Tổng hợp DNA nhân tạo: Tạo ra trình tự DNA mới trong phòng thí nghiệm.
• Lắp ráp gene (Gene Assembly): Ghép nối các đoạn DNA thành hệ gene hoàn chỉnh.
• Tích hợp DNA vào tế bào chủ: Dùng virus, plasmid hoặc kỹ thuật CRISPR để đưa gene mới vào vi khuẩn hoặc tế bào động vật.

Kiểm tra (Test)

Giai đoạn này liên quan đến việc thử nghiệm và xác nhận hoạt động của hệ thống sinh học đã thiết kế.

Sử dụng các phương pháp như:

• PCR (Polymerase Chain Reaction): Khuếch đại DNA để kiểm tra tính chính xác.
• Western Blot & ELISA: Kiểm tra protein có được tạo ra đúng theo thiết kế không.
• Kỹ thuật đo lường biểu hiện gene (qPCR, RNA-seq): Đánh giá mức độ hoạt động của hệ gene mới.

Học hỏi (Learn)

Sau khi kiểm tra, các nhà khoa học sẽ phân tích kết quả, xác định lỗi và tối ưu hóa hệ thống.

Quá trình này có thể lặp lại nhiều lần để cải thiện hiệu suất và độ ổn định của các sinh vật nhân tạo.

Một số phương pháp hỗ trợ việc học hỏi và tối ưu hóa:

• Trí tuệ nhân tạo (AI) và Machine Learning: Dự đoán hiệu quả của các sửa đổi gen.
• Tạo thư viện gene (Gene Library): Thử nghiệm nhiều biến thể gene khác nhau để tìm ra phiên bản tối ưu.

Công cụ và kỹ thuật trong sinh học tổng hợp

Sinh học tổng hợp sử dụng nhiều công cụ và kỹ thuật tiên tiến để thiết kế, xây dựng và kiểm tra các hệ thống sinh học nhân tạo.

DNA tổng hợp (Synthetic DNA)

DNA có thể được tổng hợp nhân tạo bằng cách sử dụng các phương pháp hóa học hoặc enzyme.
Các công ty như Twist Bioscience, IDT (Integrated DNA Technologies) cung cấp dịch vụ tổng hợp DNA theo yêu cầu.

Ứng dụng:

• Tạo các đoạn gene nhân tạo để lập trình vi khuẩn hoặc tế bào.
• Tổng hợp trình tự DNA mới chưa từng xuất hiện trong tự nhiên.

Chỉnh sửa gen (Gene Editing)

CRISPR-Cas9: Công cụ chính xác và phổ biến nhất hiện nay để chỉnh sửa DNA. Nó cho phép cắt bỏ, thay đổi hoặc chèn thêm gene vào tế bào.
TALEN & ZFN: Các phương pháp chỉnh sửa DNA bằng enzyme, hoạt động tương tự CRISPR nhưng ít phổ biến hơn.

Ứng dụng:

• Điều trị bệnh di truyền bằng cách chỉnh sửa gene bị lỗi.
• Phát triển cây trồng biến đổi gene có năng suất cao hơn.

Lắp ráp gene (Gene Assembly)

Phương pháp Golden Gate Assembly, Gibson Assembly: Cho phép ghép nối nhiều đoạn DNA nhỏ thành một hệ gene hoàn chỉnh.

Ứng dụng:

• Tạo vi khuẩn có thể sản xuất insulin hoặc kháng sinh.
• Lập trình tế bào để sản xuất protein theo yêu cầu.

Hệ thống sinh học nhân tạo (Artificial Biological Systems)

Tạo tế bào nhân tạo: Thiết kế màng tế bào và bộ gene nhân tạo có khả năng tự sao chép và thực hiện chức năng sinh học.

Ứng dụng:

• Phát triển vi khuẩn tổng hợp để xử lý ô nhiễm môi trường.
• Nghiên cứu sự sống nhân tạo để hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa sinh học.

Công nghệ in sinh học (Bioprinting)

In 3D mô sinh học: Sử dụng tế bào sống để in ra mô và cơ quan nhân tạo.

Ứng dụng:

• Tạo mô da để điều trị bỏng.
• Phát triển cơ quan nhân tạo để thay thế nội tạng bị hư hỏng.

Vai trò của Sinh học tổng hợp

Trong y học

• Sinh học tổng hợp giúp phát triển thuốc và vắc-xin hiệu quả hơn, điển hình như vắc-xin mRNA phòng chống COVID-19.
• Ngoài ra, công nghệ này hỗ trợ liệu pháp chỉnh sửa gen, giúp điều trị các bệnh di truyền và ung thư, đồng thời mở ra cơ hội phát triển nội tạng nhân tạo để cấy ghép.

Trong nông nghiệp

• Sinh học tổng hợp góp phần cải tiến giống cây trồng bằng cách tăng khả năng kháng sâu bệnh, chịu hạn và nâng cao giá trị dinh dưỡng.
• Công nghệ này cũng giúp phát triển vi khuẩn biến đổi gen để tăng cường khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cây, tối ưu hóa sản xuất thực phẩm và giảm sử dụng phân bón hóa học.

Trong công nghiệp

• Sinh học tổng hợp thúc đẩy sản xuất nhiên liệu sinh học bền vững, tạo ra vật liệu sinh học thay thế nhựa và phát triển các enzyme giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất dược phẩm và hóa chất.
• Điều này không chỉ giúp giảm phụ thuộc vào tài nguyên hóa thạch mà còn tăng hiệu suất sản xuất.

Trong bảo vệ môi trường

• Sinh học tổng hợp mang lại giải pháp xử lý ô nhiễm như phát triển vi khuẩn có khả năng phân hủy nhựa hoặc hấp thụ kim loại nặng trong đất và nước.
• Ngoài ra, công nghệ này cũng được ứng dụng để giảm khí thải nhà kính thông qua vi sinh vật biến đổi gen có thể hấp thụ CO₂ từ khí quyển.

Ứng dụng của sinh học tổng hợp

Y học và dược phẩm

• Sản xuất thuốc và vaccine: Tổng hợp insulin, hormone và kháng sinh hiệu quả hơn.
• Liệu pháp gene: Thiết kế hệ gene để điều trị bệnh di truyền.
• Chỉnh sửa vi khuẩn đường ruột: Tạo vi khuẩn giúp cải thiện tiêu hóa hoặc điều trị bệnh.

Công nghiệp sinh học

• Sản xuất nhiên liệu sinh học: Vi khuẩn và tảo tổng hợp có thể tạo ra biofuel thay thế xăng dầu.
• Tạo vật liệu sinh học mới: Tổng hợp polymer sinh học thân thiện với môi trường.

Nông nghiệp và thực phẩm

• Cây trồng biến đổi gene: Tăng năng suất, chống chịu sâu bệnh, hạn hán.
• Thực phẩm nhân tạo: Tổng hợp protein từ vi khuẩn hoặc tế bào động vật để thay thế thịt truyền thống.

Bảo vệ môi trường

• Xử lý ô nhiễm: Vi khuẩn biến đổi gene có thể phân hủy dầu tràn hoặc rác thải nhựa.
• Giảm khí thải carbon: Sử dụng vi sinh vật tổng hợp để hấp thụ CO₂ từ không khí.

Kết luận

Sinh học tổng hợp đã và đang tạo ra những bước tiến vượt bậc, mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Từ việc phát triển thuốc và vắc-xin, cải tiến cây trồng, đến sản xuất vật liệu sinh học và xử lý ô nhiễm môi trường, công nghệ này đang góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ hành tinh.