Tại mối liên hệ giữa vật chất sống và không sống, việc cải thiện cấu trúc từ dưới lên tự phát của các tế bào nhân tạo với độ phức tạp tổ chức cao và chức năng đa dạng vẫn còn là một vấn đề. Để giải quyết thách thức này, các nhà khoa học do Đại học Bristol đứng đầu đã tạo ra tế bào tổng hợp, được gọi là tế bào nguyên mẫu, sử dụng các giọt siêu nhỏ nhớt chứa đầy vi khuẩn sống làm địa điểm xây dựng vi mô.
Để xây dựng các tế bào tổng hợp tiên tiến này, bắt chước chức năng thực tế, các nhà khoa học đã khai thác tiềm năng của vi khuẩn. Họ cho các giọt rỗng tiếp xúc với hai loại vi khuẩn: Một quần thể tự nhiên bị bắt giữ trong các giọt nước trong khi quần thể kia bị giữ lại trên bề mặt giọt nước.
Sau đó, họ tiêu diệt cả hai loại vi khuẩn. Nó gây ra sự giải phóng các thành phần tế bào vẫn còn bị mắc kẹt bên trong hoặc trên bề mặt của các giọt nước để tạo ra các tế bào nguyên mẫu vi khuẩn được phủ màng chứa hàng nghìn phân tử sinh học, các bộ phận và máy móc.
Thực tế là các tế bào nguyên mẫu có thể tạo ra RNA và protein bằng cách biểu hiện gen trong ống nghiệm và các phân tử giàu năng lượng (ATP) thông qua quá trình đường phân cho thấy rằng các thành phần vi khuẩn di truyền vẫn tồn tại trong các tế bào tổng hợp.
Để kiểm tra khả năng của kỹ thuật này, các nhà khoa học đã sử dụng một loạt các bước hóa học để tái cấu trúc các tế bào nguyên mẫu của vi khuẩn về mặt cấu trúc và hình thái. Phần bên trong của giọt chứa đầy một mạng lưới các sợi protein giống như tế bào và các không bào nước có màng. Vi khuẩn được giải phóng DNA được nén thành một cấu trúc duy nhất giống như một hạt nhân.
Tiếp theo, các nhà khoa học cấy vi khuẩn sống vào các tế bào nguyên mẫu để tạo ra quá trình sản xuất ATP tự bền vững và cung cấp năng lượng lâu dài cho quá trình đường phân, biểu hiện gen và lắp ráp tế bào. Thật kỳ lạ, các cấu trúc nguyên sinh đã phát triển hình dáng bên ngoài giống amip do sự phát triển và trao đổi chất của vi khuẩn cục bộ, tạo ra một hệ thống sinh học tế bào với các tính năng sống động như thật được tích hợp.
Tác giả tương ứng Giáo sư Stephen Mann cho biết: “Đạt được độ phức tạp cao về tổ chức và chức năng trong các tế bào tổng hợp là điều khó khăn, đặc biệt là trong các điều kiện gần với trạng thái cân bằng. Hy vọng rằng, phương pháp tạo vi khuẩn hiện tại của chúng tôi sẽ giúp tăng độ phức tạp của các mô hình tế bào nguyên mẫu hiện tại, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp vô số thành phần sinh học và cho phép phát triển các hệ thống mô phỏng tế bào được cung cấp năng lượng.”
Tác giả đầu tiên Tiến sĩ Can Xu, Nghiên cứu viên tại Đại học Bristol, thêm: “Phương pháp lắp ráp vật liệu sống của chúng tôi tạo cơ hội cho việc xây dựng từ dưới lên các cấu trúc tế bào tổng hợp/sống cộng sinh. Ví dụ, sử dụng vi khuẩn biến đổi gen, có thể chế tạo các mô-đun phức hợp để phát triển trong các lĩnh vực chẩn đoán và điều trị của sinh học tổng hợp, sản xuất sinh học và công nghệ sinh học nói chung.”
Tạp chí tham khảo:
- Xu, C., Martin, N., Li, M. và cộng sự. Sự lắp ráp vật liệu sống của các nguyên mẫu vi khuẩn. Thiên nhiên (Năm 2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05223-w
