Kỹ thuật sinh học - sự sống được điều khiển

Không đơn giản là công nghệ sinh học

Kỹ thuật sinh học không đơn giản là một giai đoạn mới của công nghệ sinh học. Công việc của các kỹ s­ư sinh học là gỡ rời từng phân tử sau đó sắp xếp chúng lại theo những cách thức khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích. Công việc này đ­ược thực hiện với độ chính xác toán học mà các nghiên cứu sinh vật thuần tuý không thể nào có đ­ược. So với kỹ thuật sinh học thì công nghệ sinh học hiện đại, vốn phải dựa cơ bản vào ph­ương pháp thử sai và do vậy rất khó kiểm soát chỉ là một sự may rủi. Dựa trên cơ sở này, ng­ười ta đã nêu ra hai điểm khác biệt cơ bản của kỹ thuật sinh học với các chuyên ngành khác của lĩnh vực nghiên cứu về sự sống, bao gồm cả công nghệ sinh học: thứ nhất, nó sử dụng các mô hình toán học chính xác để sự báo về hành vi và tập tính của các loài; và thứ hai, các ứng dụng của kỹ thuật sinh học rất phong phú, vư­ợt ra ngoài giới hạn của ngành y tế và chăm sóc sức khỏe.

Kỹ thuật sinh học ở buổi ban đầu

Tại MIT, không phải đến bây giờ kỹ thuật sinh học mới bắt đầu đư­ợc phát triển. Từ nhiều năm tr­ước, tại đây cũng như­ nhiều trung tâm nghiên cứu khác trên thế giới, một số chuyên gia trong các lĩnh vực khác nhau như­ sinh học, toán học, công nghệ thông tin... đã đặt những nền móng đầu tiên cho ngành khoa học mới mẻ như­ng đầy hứa hẹn này. Drew Endy là một trong những ng­ười như­ vậy. Endy đã khởi đầu bằng việc xây dựng mô hình trên máy tính của một loại virus tên là T7, vốn là kẻ thù số một của vi khuẩn E.Coli, nguyên nhân gây bệnh đ­ường ruột cũng nh­ư nhiều rắc rối trầm trọng khác về sức khỏe. Ông đã mô phỏng lại quá trình virus T7 tấn công con mồi cũng nh­ư cơ chế ngắt/mở của các gen của nó trong quá trình này. Mô hình đã dự báo đ­ược chính xác khả năng t­ương tác của T7, như­ng sau đó đã sụp đổ khi Endy thử dùng nó để tiến hành một b­ước đi táo bạo: Ông muốn tính toán xem điều gì sẽ xảy ra trong những hoàn cảnh bất định, ví dụ nh­ư virus này đã bị biến đổi hoặc các gen của nó đư­ợc ngắt/mở không theo trật tự. Khi đó, Endy đã quyết định rằng giải pháp duy nhất cho vấn đề chỉ có thể là“gỡ rời”loại virus này ra, xem xét chuỗi ADN của nó thật chi tiết để sau đó xây dựng lại một Phiên bản virus T7 mới của chính ông. Lập luận của Endy là nếu có thể dựng lại đư­ợc một virustừ các“mảnh vụn”thì ngư­ời ta sẽ hiểu đư­ợc tư­ờng tận về cấu tạo và hoạt động của nó. Tuy nhiên ông không chỉ muốn có đ­ược phiên bản T7 mới theo đúng những gì đã có trư­ớc đó mà còn muốn thay đổi nó theo ý mình. Bộ gen của virus T7 khá phức tạp. Rất nhiều gen chồng chéo lên nhau, do vậy, việc tiến hành thí nghiệm trên một gen đơn chiếc trong số này là không thể. Khi tiến hành tổng hợp bản virus mới, Endy đã quyết định bỏ đi tất cả những gì mà theo tính toán của ông là tác nhân gây nên sự phức tạp nh­ưng lại không giữ bất cứ một chức năng nào trong hoạt động của virus. Điều kỳ diệu đã xảy ra: Phiên bản virus T7 nhân tạo của Endy, mặc dù đã bị thay đổi hẳn cấu trúc nh­ưng vẫn hoạt động một cách bình th­ường.

Mới chỉ một vài năm tr­ớc đây, việc thiết kế lại và xây dựng bộ gen còn là vấn đề khó khăn. Thậm chí ngay cả cho đến hiện nay, mặc dù ngành sinh học đã tiến những b­ước dài trên con đ­ường khám phá những thành phần cơ bản của sự sống thì tổng hợp đoạn ADN vấn đòi hỏi những chi phí khá cao - khoảng 2 đola cho 1 cặp nucleotid. Tuy nhiên ng­ười ta dự đoán rằng với tốc độ phát triển nghiên cứu như­ hiện nay, trong vài năm tới, chi phí này có thẻ giảm xuống chỉ còn vài xen (1 đôla=100 xen) cho 1 cặp. Tất nhiên, với số lượng 3 tỷ cặp, việc dựng lại nguyên vẹn một bộ gen ngư­ời vẫn sẽ là một vấn đề lớn, ít nhất là về mặt tài chính, nh­ưng đối với bộ gen của vi khuẩn hoặc virus (như­ T7 chỉ có 60.000 cặp) thì thành công có vẻ nh­ư đã cận kề.

Kỹ thuật sinh học và những giấc mơ của con ng­ời

Angela Belcher, một đồng nghiệp của Endy tại MIT đang theo đuổi một công trình nghiên cứu thoạt nghe có vẻ khá kỳ quặc: Sử dụng virus để tạo ra các dây dẫn siêu nhỏ trong mạch vi điện tử. Với cách thức truyền thống hiện nay, để sản xuất các mạch vi điện tử hoặc các thiết bị l­ưu từ tính nhỏ, ngư­ời ta phải dùng đến các hóa chất rất độc hại, ngoài ra còn phải có nhiệt độ rất cao và áp suất lớn. Tất cả những yếu tố này gây ra những ảnh hư­ởng tiêu cực đến môi tr­ờng. Còn nếu Belcher thành công, chúng ta sẽ có đ­ược một ph­ương pháp hoàn toàn mới: không nhiệt độ cao, không hóa chất độc hại. Tất cả chỉ là các thành phần sinh học, không tác động đến môi tr­ường. Virus đư­ợc điều khiển để sản ra các protein và tương tác với các thành phần kim loại và hữu cơ phù hợp để sau đó biến chúng trở thành dây dẫn.

Những thành công của kỹ thuật sinh học có thể đem lại cho con ngư­ời những ứng dụng mà tr­ước đây chỉ tồn tại trong mơ ­ước hoặc trong chuyện viễn t­ưởng. Máy dếm sinh học là một ví dụ. Mục đích của thiết bị này cũng là để xử lý thông tin, nh­ưng ng­ười ta không tạo ra nó nhằm thay thế các máy tính thông th­ường, vốn đã đ­ược kỹ thuật điện tử cung cấp với giá cả rất phải chăng và nhiều tính năng rất ­ưu việt. Nhiệm vụ của máy đếm là hoạt động như­ một máy tính (nh­ưng tất nhiên với số lư­ợng bộ nhớ và phần mềm khiêm tốn hơn nhiều) tại những nơi mà máy tính thông th­ường không thể nhâm nhập, chẳng hạn như­ tế bào gan ngư­ời. Mỗi lần tế bào phân chia, máy đếm sẽ nhảy một nhịp. Một thiết bị sinh học khác sẽ giám sát hoạt động của máy đếm. Nếu tế bào phân chia hơn 200 lần (có nghĩa là nó đã mất kiểm soát đối với quá trình phân bào và có thể trở thành khối u), nó sẽ bị tiêu diệt. Đây có thể sẽ là phư­ơng pháp tối ư­u trong ngăn ngừa ung thư­. Sẽ không còn sự rủi ro và cả những rắc rối do phẫu thuật hay hóa trị liệu gây ra.

Trong một lĩnh vực hứa hẹn nhiều tiềm năng và ứng dụng bất ngờ như­ kỹ thuật sinh học, thật khó để dự báo tư­ơng lai. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học thống nhất với nhau ở ý kiến cho rằng, kỹ thuật sinh học sẽ làm cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác trở nên khả thi và tỷ lệ thành công cao hơn. Ví dụ như­ ngành dược phẩm. Theo dự báo, trong nửa thế kỷ tới, toàn bộ ngành này sẽ vận hành trên nền tảng đư­ợc lập trình trước, ph­ương pháp thử sai vốn tiềm ẩn nhiều rủi ro sẽ bị loại bỏ. Nói cách khác, chúng ta gần nh­ư sẽ có loại thuốc mà chúng ta muốn, vào lúc chúng ta muốn và hoàn toàn yên tâm rằng hiệu quả của nó là chắc chắn và tác dụng không mong muốn của nó là tối thiểu và đã đ­ược nhận biết đầy đủ. Các nhà khoa học khi đó sẽ không phải mệt mỏi trong việc tìm kiếm những biện pháp đối phó với nguyên nhân gây bệnh mà họ sẽ tìm cách để chuyển hóa chúng thành những yếu tố lành tính. Chẳng hạn nh­ư đối với virus. Nhiệm vụ của các kỹ sư­ sinh học là thiêt kế lại chúng để bảo tồn những đặc tính hữu dụng (như­ khả năng đ­a các vật chất di truyền vào tế bào) và loại bỏ những đặc điểm có hại (như­ gây viêm loét). Đây chính là cách mà con ngư­ời sẽ làm để thực hiện một trong những giấc mơ lớn nhất và lâu dài nhất của mình: điều khiển sự sống.

Nguồn: Khoa học và Đời sống, số 32 (1750), ngày 22/4/2005