Để tạo ra một tế bào nhân tạo, các nhà khoa học thường sử dụng hai phương pháp tiếp cận: một là: tái cấu trúc phần mềm hệ gen của một tế bào sống; hai là: tập trung vào phần cứng của tế bào, xây dựng ngay từ lúc ban đầu các cấu trúc đơn giản giống tế bào, có khả năng bắt chước chức năng của tế bào sống. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất thường gặp trong phương pháp thứ hai là khả năng bắt chước các phản ứng hóa học và sinh học phức tạp cần thiết để tế bào có thể thực hiện các hành vi phức tạp.
Mới đây, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế từ trường Đại học Harvard (Hoa Kỳ) và Đại học Sogang ở Seoul (Hàn Quốc) đã thiết kế một cấu trúc giống tế bào có khả năng khai thác quá trình quang hợp để thực hiện các phản ứng trao đổi chất, bao gồm thu thập năng lượng, cố định cacbon và hình thành cytoskeleton. Bài báo về nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Biotechnology.
Kit Parker, Giáo sư Khoa Kỹ thuật Y sinh và Vật lý Ứng dụng, Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson (SEAS), Đại học Harvard cho biết: "Nghiên cứu mới của chúng tôi mở ra một hy vọng về khả năng xây dựng cấu trúc ở cấp độ tế bào. Chúng tôi đã kích thích hoạt động trao đổi chất bằng cách sử dụng ánh sáng, xây dựng một mạng lưới protein theo yêu cầu trong một tế bào sống và kết hợp tất cả các thành phần cần thiết vào trong một tế bào".
Kwanwoo Shin, Giáo sư Khoa Hóa học tại Sogan đồng thời là Giám đốc Viện Giao diện Sinh học cho biết: “Các cơ chế chúng tôi đã chứng minh được coi là bước đầu tiên trong quá trình phát triển mạng lưới điều tiết đa nhánh để các tế bào nhân tạo có thể biểu hiện cân bằng nội môi và hành vi tế bào phức tạp”.
Để xây dựng hệ thống tổng hợp này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một bào quan quang hợp từ các thành phần đơn nhất của thế giới thực vật và động vật.
Keel Yong Lee, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại SEAS và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: "Ý tưởng của chúng tôi vô cùng đơn giản. Đó là, chúng tôi đã chọn hai chất chuyển quang protein - một chất từ thực vật và chất kia từ vi khuẩn - có khả năng tạo ra một gradient trên màng tế bào để kích hoạt các phản ứng".
Hai chất chuyển quang tỏ ra nhạy cảm với các bước sóng ánh sáng màu đỏ và màu xanh lá cây. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành gắn các protein vào trong một màng lipid đơn giản cùng với các enzym có khả năng tổng hợp adenosine triphosphate (ATP) - nguồn năng lượng thiết yếu của tế bào. Khi chiếu ánh sáng đỏ vào màng, phản ứng hóa học quang hợp xảy ra, tạo ra các phân tử mang năng lượng ATP. Trong khi đó, khi màng được chiếu ánh sáng xanh, quá trình hình thành ATP sẽ dừng lại. Khả năng bật và tắt quá trình sản xuất năng lượng cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát nhiều phản ứng trong tế bào, bao gồm sự trùng hợp actin (yếu tố chính quyết định hình dạng của tế bào), các khối xây dựng tinh túy của tế bào và mô.
Nhà nghiên cứu Sung-Jin Park tại SEAS và Wyss, đồng tác giả của bài báo chia sẻ: “Nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực này đã sử dụng các protein để tạo ra ATP, nhưng chỉ có thể tạo ra từng phân tử ATP một. Bằng cách kết hợp những thành phần tinh túy nhất của hai thế giới thực vật và động vật, chúng tôi có thể kiểm soát và điều chỉnh quá trình sản xuất nguồn năng lượng cần thiết cho hoạt động của tế bào. Hiện nay, chúng tôi đang sản xuất những tế bào này theo phương pháp từ dưới lên, bắt đầu với những protein riêng biệt này".
Khả năng kiểm soát và điều chỉnh hoạt động sản xuất actin cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát hình dạng của màng tế bào, đồng thời, cung cấp phương pháp chế tạo các tế bào di động. Phương pháp tiếp cận từ dưới lên có thể được áp dụng để xây dựng các bào quan nhân tạo khác, như màng lưới nội chất hoặc hệ thống có cấu trúc giống nhân tế bào; đây cũng là bước đầu tiên hướng tới khả năng phát triển hệ thống giống tế bào nhân tạo có khả năng bắt chước các hành vi phức tạp của tế bào sinh học.
"Việc đưa mạng lưới các protein chức năng và bào quan vào môi trường tế bào nhân tạo mở đường cho việc phát triển khả năng xây dựng một tế bào lại từ đầu", Shin cho biết.
"Từ các khái niệm như thuốc hỗ trợ sinh sản, vết thương bị tổn thương hay những căn bệnh kỳ lạ khác, giờ đây chúng ta đã được cung cấp những nhận thức cơ bản về các công cụ và điều kiện cần thiết để có thể kiểm soát hoạt động bên trong tế bào. Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho khả năng sản xuất bộ phận giả tế bào trong tương lai", Parker nhấn mạnh.
Nguồn: NASATI