Việc tái tạo sự sống từ ống nghiệm kết hợp với máy tính, tạo ra một sinh vật sống từ các thành phần hóa học và can thiệp vào sự sống để tạo ra sinh vật mới, đó chính là ngành sinh học tổng hợp (biosynthèse). Ngành này đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà sinh học, vật lý, hóa học và tin học.
Trước hết cần phân biệt sinh học tổng hợp với hóa học tiền sinh học. Hóa học tiền sinh học tìm cách gây mầm sống đầu tiên bằng cách pha trộn các phân tử đơn giản nhất. Cũng không như sự sống nhân tạo của thập niên 70, khi tìm cách làm cho máy móc thông minh hơn. Dù có vay mượn kỹ thuật thao tác gen cổ điển, sinh học tổng hợp vẫn khác xa, với những tham vọng lớn hơn và hướng sử dụng cũng phức tạp hơn. Với bộ môn mới này, sinh học đã bước thẳng vào lĩnh vực thiết kế đồ án. Nhà sinh học không còn chỉ là kẻ tìm hiểu cơ cấu sự sống, mà còn sử dụng nó như một phương tiện để gia tăng khả năng khống chế Vũ trụ của con người. Câu nói nổi tiếng của GS. Theodor von Karman: “Nhà khoa học khám phá sự vật hiện hữu, các kỹ sư tạo ra sinh vật chưa từng có!” đã rất đúng trong trường hợp này.
Con người liệu có thể "Lập trình" lại vi trùng?
Những kỹ sư, chuyên gia vi tính, nhà hóa học, sinh học muốn hiểu và kiểm soát thiên nhiên, họ nghĩ rằng sự sống là một chương trình được mã hóa trong phân tử ADN. Thay đổi, viết lại mã số này sẽ buộc thiên nhiên làm cái mà con người chưa bao giờ làm, thậm chí thiên nhiên cũng chưa làm. Họ đang tác động mạnh vào các loại vi trùng, bằng một kỹ thuật được gọi là "Lập trình lại". Năm 2000, Michael Elowitz và Stanislas Leiber làm việc tại Khoa Sinh học Phân tử (trường Đại học Princeton, Mỹ) đã làm cho con vi trùng Escherichia coli vốn có màu xám xịt trở nên sáng nhấp nháy! Còn nhà nghiên cứu Ron Weiss lại làm cho nó biến màu theo môi trường, thành màu đỏ khi có một số phân tử xuất hiện và màu xanh khi không có. Đặc biệt hơn, nhà nghiên cứu Christopher Voigt, Đại học California lại biến nó thành phim chụp ảnh: nó có màu trắng hay đen tùy theo ánh sáng chiếu vào mạnh hay yếu. Mỗi lần như thế, các nhà nghiên cứu này xem gen như những transitor của một mạch điện tử. Các axit nucleic A, C, G, T của phân tử ADN thay thế cho các chuỗi số 0 và 1 của máy vi tính. Nhưng dù có thể ghép nối các phân tử ADN một cách dễ dàng, vi trùng không phải lúc nào cũng tạo ra cái mà nhà nghiên cứu muốn mà theo Ron Weiss, phải mất nhiều năm thiết kế đê tạo ra một hệ thống có thể vận hành được một cách thực sự.
Có thể nói lập trình lại virut là một bộ môn mới đang hình thành. Nó còn phải chuẩn hóa các khối gen, loại bỏ những hư hỏng, lý thuyết hóa một số kết quả... Tại trường Đại học Berkeley, nhà nghiên cứu Jay Keasling dự kiến tổng hợp bên trong con vi trùng artémisine một phân tử chống sốt rét, một phân tử rất khó điều chế nhân tạo. Những người khác lại mơ ước tạo được loại vi trùng khử ô nhiễm và độc chất của môi trường. Trong khi đó ý tưởng tạo con vi trùng có khả năng “ngửi” được các bệnh, như bệnh ung thư đang được nhà nghiên cứu Christopher Vight thực hiện. Theo chuyên gia Ron Weiss, trong lĩnh vực này thì chúng ta cũng giống như đang ở thời kỳ giống như lúc khởi đầu máy vi tính và những ứng dụng của nó là không thể đoán trước được và triển vọng là rất lớn.
Chúng ta có thể tạo ra được virus?
Việc tạo ra virus ở đây không phải là các virus máy tính, mà là các cơ thể sống. Ngày nay,di truyền học cho phép chúng ta tiến xa hơn việc thay đổi vài gen của một con vi trùng. Nó có thể ghép từng gen một và tạo sự sống cho con virus. Chẳng hạn, năm 2002, nhóm của Eckard Wimmer thuộc Trường Đại học New York đã tạo ra được con virus gây bệnh bại liệt từ một chuỗi gen đơn giản trong Phòng thí nghiệm Stony Brook. Họ đã ghép được 7.500 gốc của một phân tử ADN, giống như việc người ta tạo ra một xâu chuỗi ngọc từ những hạt ngọc. Không tác dụng khi nằm bên ngoài tế bào, con virus nhân tạo này gây ra bệnh giống hệt như virus thiên nhiên lúc được cấy vào cơ thể con chuột. Nhà nghiên cứu Eckard Wimmer nói: “Chúng tôi muốn chứng minh một điều: virus chỉ là hóa chất, một công thức đơn giản! Dù rằng bệnh bại liệt được xem như bị diệt tận gốc, rõ ràng không có con virus nào biến mất hoàn toàn”. Người ta có thể thể tạo ra sự sống cho một sinh vật từ một chuỗi phân tử AND. Đó cũng là điều mà Nhóm của Giáo sư Jeffrey Tautenberg (Viện Bệnh học Quân đội Mỹ) đã làm được vào cuối năm 2005. Từ mẫu phổi lưu trữ của một phụ nữ chết vào thời kỳ đại dịch cúm ở Tây Ban Nha năm 1918 (đại dịch này đã giết chết 50 triệu người lúc đó), ông đã tái tạo được virus gây bệnh cúm.
Các nhà khoa học, như Eckard Wimmer và Jeffrey Tautenberg đều không phải là những kẻ khủng bố sinh học, mà mục tiêu của họ chỉ là phá vỡ bí ẩn của virus, để hiểu được nguồn gốc của sự nguy hiểm của nó, tiên đoán diễn biến và dĩ nhiên để chế tạo ra vắc xin chống lại chúng. Để làm được điều đó, cách tốt nhất là tạo ra gốc virus trong phòng thí nghiệm. Như vậy, các nhà có thể trở về nguồn gốc virus, rất có thể cũng là gia cầm, nhưng khác với virus H5N1 hiện nay đang hoành hành khắp thế giới. Ngoài ra, Eckard Wimmer còn dự kiến dùng các sinh vật tổng hợp này để tấn công các chứng bệnh như sốt rét sông Nil hay viêm màng não. Hai nhóm nghiên cứu tiên phong này chắc chắn sẽ tiến xa, bởi vì càng ngày càng dễ dàng tổng hợp những gen lớn hơn. Năm 2002, để tạo ra con virus gây bệnh bại liệt phải mất một năm. Bây giờ chỉ cần vài tuần lễ! Thậm chí, chỉ trong vòng 14 ngày, nhà sinh học người Mỹ là Craig Venter đã tổng hợp được 5.000 gốc của một con virus có khả năng diệt được vi trùng vào năm 2003. Tuy nhiên, các kỷ lục đã lần lượt bị phá vỡ: một nhóm nghiên cứu của Công ty Mỹ Kosan Bioscience đã tổng hợp được một phân tử ADN từ 32.000 gốc, một trong các protein của con vi trùng E. Coli! Cuối năm 2004, nhóm của giáo sư George Church thuộc trường Đại học Harvard đã ghép được 14.500 gốc cho một mẫu phân tử AND, tất cả tương đương với axit amin trong các protein. Cuối năm 2005, George Church đã ghép được một phân tử ADN bao gồm đến 10 triệu gốc, nhưng với tỉ lệ sai lầm lại cao gấp 10 lần thí nghiệm trước của ông! Tóm lại: bộ gen di truyền hoàn chỉnh với 4,7 triệu gốc của con vi trùng Escherichia coli được xem như nằm trong tầm tay “lắp ghép” của các nhà nghiên cứu. Tháng 12-2005 Tạp chí Mỹ Wired đã liệt kê danh sách 20 cơ sở sinh học, trong đó có: DNA 2.0, Blue Heron, Codon Devices, Integrated DNA... “Năm 2003, giá một cặp gốc cơ bản để tạo ra phân tử ADN là từ 5-8 USD. Bây giờ 1-3 USD”, Jeremy Minshull, Lãnh đạo Công ty DNA 2.0, ra đời cách nay ba năm nói.
Số gen tối thiểu cho sự sống có thể được xác định?
Cuộc sống cần tối thiểu bao nhiêu gen để có thể tồn tại? Câu hỏi này đã được nhà sinh học người Mỹ Craig Venter đặt ra từ nhiều năm qua. Sau khi tham gia giải mã bộ gen lớn nhất của con người, ông đã quay sang đam mê ban đầu của mình là đeo đuổi con vi trùng. Mục tiêu là xác định số lượng gen tối thiểu mà một cơ thể sống cần có để tồn tại. Tự thân đề tài nghiên cứu này đã là một sự kiện lớn. Một số nàh khoa học cho rằng chỉ cần 517 gen để có thể bảo đảm là một sinh vật: di chuyển, ăn, sinh sản... Tuy nhiên, tất cả không hẳn cần phải đầy đủ và nhà nghiên cứu chỉ cần ráp nối khoảng 250. Từ kho dự trữ gen cơ bản này, các nhà nghiên cứu có tham vọng đưa vào các gen mới. Thật ra khái niệm "sống" là một vấn đề rất tương đối và có quan hệ mật thiết với môi trường xung quanh. Một cơ thể tối thiểu, hoạt động ở 37oC rất có thể không tồn tại ở 40oC, bởi vì nó thiếu một số gen công cụ để thích nghi với sự thay đổi của môi trường. Nhà nghiên cứu Dusko Ehrlich nói: “Mỗi cá nhân có nhiều ngàn loại sinh vật khác nhau nằm trong cơ thể và số tế bào vi trùng trong cơ thể nhiều gấp 10 lần số tế bào thực của chúng ta. Nếu một người ngoài vũ trụ quan sát chúng ta, họ sẽ rất kinh ngạc khi nhìn thấy các loài vi trùng đang sống trong cơ thể con người một cách ấm cúng và đầy thông minh”. Bởi vậy, có thể nói rằng con người được xác định chỉ bằng một bộ gen di truyền là quên đi hàng chục ngàn loại vi trùng khác nằm trong cơ thể, để bổ sung những nhu cầu thiết yếu dành cho sự sống.
Có thể tạo ra tế bào nhân tạo?
Một chương trình máy tính không thể chạy nếu không có máy tính. Sự sống cũng vậy, chương trình di truyền chỉ có thể chạy nếu có một nền tảng. Nền tảng này chính là tế bào, được bao quanh bằng một cái màng, có thể tương tác với bên ngoài. Năm 2005, Albert Libchaber, một nhà khoa học người Pháp làm việc tại trường Đại học Rockfeller, New York, đã tạo được những protein từ bên trong tế bào, sau đó nó di chuyển ra phía màng để làm kênh thông thương giữa bên trong và bên ngoài. Hiệu quả thấy rõ tức khắc. Tế bào sống lâu hơn, bằng cách hút thức ăn từ bên ngoài và thải chất ô uế từ bên trong. Nó sống được vài ngày, so với vài giờ nếu không có kênh thông thương.
Có thể nói rằng chúng ta thấy càng ngày càng dễ viết phần “lập trình” để cho cỗ máy sự sống chuyển động. Phân tử ADN ở đây chỉ gồm dưới 10.000 gốc cơ bản. Tuy nhiên, muốn tạo ra sự sống, phải cần có thêm nhiều yếu tố khác nữa: enzyme để kích thích phản ứng; axit amin để làm những "viên gạch nền", các ribosome để kết nối axit amin... Dù phức tạp nhưng công thức này đã được các nhà nghiên cứu hiểu rõ. Tùy theo quan điểm của mỗi nhóm nghiên cứu mà người ta nhắm đến những ứng dụng khác nhau. Mark Bedau, nhà sáng lập Công ty ProtoLife, nói: “Các hình thức sống nhân tạo có thể dùng để xử lý ô nhiễm môi trường. Nó ăn được cái đối với chúng ta là chất độc. Có thể xem tế bào giống như những nhà máy mini, sản xuất ra cái mà con người không thể làm được, như hydrogen." Theo ông, sẽ không còn bao lâu nữa để một tế bào nhân tạo ra đời. Tại châu Âu, các nhà nghiên cứu cũng đồng tình với dự đoán này.
Liệu có nguy cơ con người có thể tạo ra quái vật?
Trong thiên nhiên, sự sống rất đa dạng nhưng không hỗn loạn. Tất cả các vi trùng, cây cỏ, loài vật trong vũ trụ đều hình thành từ những yếu tố cơ bản, đó là khoảng 20 axit amin nền tảng. Bởi thế các nhà nghiên cứu tự hỏi: có thể nào thai nghén sự sống bằng những yếu tố nền tảng khác khác? Peter Schultz, Viện Nghiên cứu Scripps tại California, nói: “Mặc dù một mã số với 20 axit amin đủ để tạo ra sự sống, nó có thể chưa phải là tốt nhất”. Dẫn đầu trong nghiên cứu về vấn đề này, năm 2000 Nhóm của ông đã chứng minh rằng một sinh vật như con vi trùng có thể chen vào tiến trình chế tạo axit amin, vốn không phải là bản chất của nó. Từ đó, nhóm này đã “mã hóa di truyền” được hơn 30 axit amin khác. Đó là những phân tử kỳ lạ có thể phát sáng, hay mang được nguyên tử nặng chưa từng có trong vũ trụ. Những con quái vật này còn ở giai đoạn bào thai. Nhưng lợi ích tương lai lại rất lớn. Các nhà nghiên cứu nghĩ đến axit amin mang phân tử chữa bệnh như polyéthylène glycol nhằm cải tiến khả năng chữa bệnh của nhiều loại thuốc. Nhóm khác lại nghiên cứu tạo chất polyme sinh học từ các protein kết chùm trong ống nghiệm. Có nhóm muốn tạo ra vi trùng có khả năng tẩy độc đất để làm sạch môi trường, tạo ra khí hydrogen... Về mặt lý thuyết, triển khai mật mã di truyền không chỉ cho phép đi đến tận nguồn của sự sống trên Trái đất, mà còn giúp hiểu được hình thái sự sống khác ngoài Vũ trụ. Nếu sự sống khác cũng tồn tại trong Vũ trụ, nó sẽ cùng ngôn ngữ với chúng ta, điều này được các nhà khoa học khẳng định.
Sự hỗ trợ của kỹ thuật số
Với tiến bộ của máy tính, không nhất thiết phải thao tác trên gen và phân tử mới hiểu được bí mật sự sống, mà thao tác trên một vài dữ liệu, như môi trường, là có thể hiểu được động lực chung của một qui trình tiến hóa, vốn còn rất bí ẩn. Sức mạnh hiện đại của máy tính có thể tạo ra mấy trăm thế hệ tiến hóa trong không gian chỉ sau một phút và kết quả không khỏi làm các nhà nghiên cứu kinh ngạc, điều mà một nhà sinh học trong phòng thí nghiệm không thể tự làm được. Về lĩnh vực này, Chris Amadi, Giám đốc Phòng thí nghiệm Life Digital tại Caltech (Mỹ) đã triển khai một chương trình mang tên Avida, với các sinh vật ảo (được gọi là Avidiens). Chương trình này được Microsoft tài trợ.
Liên quan đến sự sống, vấn đề không thể không nói tới là đạo đức trong nghiên cứu. Tạo ra sự sống có nguy hiểm hay không? Sinh học tổng hợp phát triển, đồng thời cũng đem đến những hậu quả xã hội, môi trường và đạo đức. Chính vì vậy, tháng 6/2005, một ủy ban đạo đức sinh học đã được thành lập tại Hoa Kỳ, có sự tham gia của các nhà triết học và nhân chủng học để giải quyết các vấn đề đạo đức nảy sinh từ nghiên cứu.
Nguồn: Sciences et Avenir, 3/2006