Hamilton smith là ai đã tạo ra cái gì

(born 1931). American microbiologist Hamilton Smith shared, with Werner Arber and Daniel Nathans, the Nobel Prize for Physiology or Medicine in 1978 for his discovery of a new class of restriction enzymes that recognize specific sequences of nucleotides in a molecule of DNA (deoxyribonucleic acid) and cleave the molecule at that particular point.

Hamilton Othanel Smith was born on August 23, 1931, in New York, New York. He graduated from the University of California at Berkeley in 1952 and received a medical degree from Johns Hopkins University in 1956. After his internship and hospital residency, Smith joined the faculty of the University of Michigan in 1962. In 1967 he returned to Johns Hopkins University, becoming professor of microbiology in 1973.

In 1995, in collaboration with J. Craig Venter and researchers at The Institute for Genomics Research (TIGR), Smith sequenced the genome of the bacterium Haemophilus influenzae using a rapid “shotgun” sequencing approach. In 1998 Smith left Johns Hopkins and joined the private research company Celera Genomics. At Celera, Smith contributed to the genomic sequencing efforts for the fruit fly (Drosophila) and humans.

In 2002 Smith became scientific director at the Institute for Biological Energy Alternatives (IBEA) in Maryland. He led research on the generation of a synthetic single-celled organism capable of surviving and reproducing on its own. A central goal of this research was to create a minimalist organism by using as few genes as possible, in order to determine how many and which genes are necessary to sustain life. In 2006 TIGR and IBEA were merged with several other centers to form the J. Craig Venter Institute, where Smith became leader of the synthetic biology and bioenergy research group.

Các nhà khoa học đã tạo ra một sinh vật tổng hợp chỉ chứa các gen cần thiết để tồn tại. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu rõ được gần một phần ba số gen này có chức năng gì.

Tế bào nhân tạo với bộ gen tối thiểu

Bóc đi từng lớp của một ngôi nhà – những bức tường trát vữa, mái nhà, sàn gỗ, phần còn lại là phần khung cốt lõi của căn nhà. Vậy liệu chúng ta có thể làm tương tự đối với sự sống? Liệu các nhà khoa học có thể cắt bớt các lớp phức tạp để lộ ra bản chất cốt lõi của sự sống, tìm ra nền tảng mà sự sống được xây dựng dựa trên?

Đó là những gì Craig Venter và cộng sự của ông đã nỗ lực thực hiện trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science. Nhóm của Venter đã cẩn thận “gọt” bớt từ hệ gen của Mycoplasma mycoides, một vi khuẩn sống trong gia súc, để lộ ra bộ cấu trúc di truyền “xương sống” có khả năng tạo nên sự sống. Kết quả là một sinh vật tí hon tên là syn3.0 chứa chỉ 473 gen. (So sánh với E. coli có khoảng 4000 đến 5000 gen, con người có xấp xỉ 20000). Tuy nhiên đối với sinh vật 473 gen này lại có một lỗ hổng. Các nhà khoa học biết rất ít về việc khoảng một phần ba số lượng gen trên có chức năng gì. Và hơn cả việc làm sáng tỏ các thành phần thiết yếu của sự sống, syn3.0 đã cho thấy chúng ra phải bỏ đi bao nhiêu để có được hiểu biết về những kiến thức sinh học rất cơ bản.

Tế bào syn3.0 chứa số lượng gen nhỏ nhất cần thiết cho sự tồn tại

“Đối với tôi, điều thú vị nhất là những điều nói cho chúng ta về những gì mà chúng ta không biết”, Jack Szostak, nhà hóa sinh ở trường đại học Harvard, phát biểu. “Rất nhiều gen còn chưa biết chức năng có vẻ là cần thiết cho sự sống”.

Ý tưởng ban đấu của Venter được nhen nhóm vào năm 1995, khi nhóm của ông đã giải mã bộ gen của vi khuẩn Mycoplasma genitalium, một loại vi khuẩn sống trong đường tiết niệu của con người. Khi các nhà nghiên cứu của nhóm Venter bắt đầu làm việc với ý tưởng mới này, họ đã chọn M. genitalium - vi khuẩn thứ hai được giải trình tự hoàn chỉnh bộ gen - do kích thước bộ gen nhỏ bé của nó. Với 517 gen và 580.000 trình tự ADN, đây là sinh vật có bộ gen nhỏ nhất được biết đến có khả năng tự sao chép (một số vi khuẩn cộng sinh có thể tồn tại với các gen chỉ khoảng 100, nhưng chúng dựa vào các gen từ tế bào chủ để tồn tại).

Gói ADN còn lại sau khi cắt của M. genitalium đưa ra câu hỏi: “Số lượng gen nhỏ nhất một tế bào có thể sở hữu là bao nhiêu?” “Chúng tôi muốn biết được thành phần gen cơ bản của sự sống”, Venter phát biểu. “Đó có vẻ như một ý tưởng tuyệt vời vào 20 năm trước - nhưng chúng tôi đã không biết rằng mất những 20 năm để đạt được điều này”.

Thiết kế tế bào với bộ gen tối thiểu

Venter và cộng sự của ông ban đầu đặt ra kế hoạch tạo ra một bộ gen rút gọn dựa trên những gì các nhà khoa học đã biết về sinh học. Họ định sẽ bắt đầu với các gen liên quan đến những quá trình quan trọng nhất của tế bào, như là sao chép, phiên mã, dịch mã, và xây dựng từ đó. Nhưng trước khi họ có thể tạo ra phiên bản nhỏ gọn này của sự sống, các nhà nghiên cứu đã phải tìm ra cách để thiết kế và xây dựng bộ gen lại từ đầu. Thay vì chỉnh sửa ADN trong một sinh vật sống như hầu hết các nhà nghiên cứu làm, họ muốn có được sự kiểm soát lớn hơn, bằng cách thiết kế bộ gen của mình trên máy tính và sau đó tổng hợp ADN nhân tạo trong ống nghiệm.

Vào năm 2008, Venter và cộng sự Hamilton Smith tạo ra vi khuẩn có bộ gen được tổng hợp tổng hợp đầu tiên bằng cách xây dựng một phiên bản cải biến của ADN của M. genitalium. Sau đó đến năm 2010 họ tạo ra sinh vật tổng hợp đầu tiên có thể tự nhân đôi, một phiên bản của bộ gen M. mycoides và sau đó cấy chúng vào một loài Mycoplasma khác. Bộ gen tổng hợp tiếp nhận tế bào, thay thế hệ thống điều hành gốc bằng phiên bản nhân tạo. Bộ gen M. mycoides tổng hợp phần lớn giống hệt phiên bản tự nhiên, được lưu lại một vài dấu ấn di truyền. Với những công cụ tin sinh trong tay, các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra một bộ gen cho tế bào tối thiểu của và rồi cố gắng để xây dựng nên chúng. “Và không có lấy một thiết kế nào thành công”, Venter nói. Ông nhận ra sự thất bại lặp đi lặp lại như một sự quở trách cho sự ngạo mạn của họ. Liệu các nhà khoa học hiện đại có được đủ kiến thức về nguyên tắc sinh học cơ bản để xây dựng nên một tế bào? “Câu trả lời là “Không”, ông nói.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu quyết định thực hiện các thử nghiệm khác nhau và khó khăn hơn, thay thế phương pháp tiếp cận là thiết kế ban đầu bằng việc thử nghiệm và sai lầm. Họ phân chia gen của M. mycoides, xác định thứ gì là quan trọng cho sự tồn tại của vi khuẩn. Họ xóa các gen không liên quan để tạo thành syn3.0, có bộ gen nhỏ hơn bất kì sinh vật tự nhân lên nào được phát hiên trên trái đất cho đến giờ.

Điều gì còn lại sau khi cắt bớt đi bộ máy di truyền màu mỡ? Phần lớn các gen còn lại liên quan đến một trong ba chức năng: sản xuất ARN và protein, duy trì sự trung thành của thông tin di truyền hoặc tạo thành màng tế bào. Tuy nhiên vẫn chưa rõ là 149 gen còn lại trong số chúng có chức năng gì. Các nhà khoa học có thể phân loại 70 gen trong số chúng dựa trên cấu trúc gen, nhưng họ có rất ít dữ kiện về vai trò chính xác của chúng đối với tế bào. Chức năng của 79 gen còn lại hoàn toàn là bí ẩn. “Chúng tôi không biết chúng có vai trò gì và tại sao chúng lại quan trọng đối với sự sống – có thể chúng đang làm một cái gì đó tinh tế hơn, một cái gì đó rõ ràng là không được đánh giá cao trong sinh học", Venter cho biết.

Nhóm của Venter mong muốn khám phá ra các gen bí mật đó làm gì, nhưng thử thách được nhân lên bởi sự thật là các gen này không giống với bất kì gen đã biết nào khác. Một cách để khám phá chức năng của chúng là tạo ra các phiên bản của tế bào mà ở đó mỗi gen trong số chúng có thể bật và tắt. “Khi chúng bị tắt, điều gì bị rối loạn đầu tiên?” Szostak phát biểu, “Dựa vào đó, bạn có thể xếp chúng vào các lớp gen thông thường, như chuyển hóa hoặc sao chép ADN”.

Venter cẩn thận không gọi syn3.0 là tế bào nhỏ nhất. Nếu ông hoàn thành một loạt các thí nghiệm với một loại vi khuẩn khác, ông chỉ ra, ông đã có thể thu được một bộ gen khác.

Thực tế, không có một bộ gen duy nhất nào mà tất cả các sinh vật sống cần để tồn tại. Khi các nhà khoa học đầu tiên bắt đầu nghiên cứu 20 năm trước, họ hy vọng các phép so sánh đơn giản từ một loạt các loài khác nhau sẽ tiết lộ một cốt lõi cần thiết cho chúng ở tất cả các loài. Nhưng khi số lượng các bộ gen được giải trình tự càng nhiều lên, cốt lõi cần thiết đó bị biến mất. Năm 2010, David Ussery, một nhà sinh vật học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee, và cộng sự của mình so sánh 1000 bộ gen. Họ phát hiện ra không có lấy một gen có mặt tất ở cả các sinh vật sống. Ông đưa đến kết luận: “Có nhiều cách khác nhau để có được một bộ gen cốt lõi”. Hơn nữa, điều gì là quan trọng trong sinh học phụ thuộc lớn vào môi trường của sinh vật. Ví dụ, tưởng tượng một vi khuẩn sống trong sự có mặt của một chất độc, ví dụ như kháng sinh. Một gen cần thiết cho sự phân giải chất độc sẽ là quan trọng cho vi khuẩn đó trong môi trường đó. Nhưng nếu loại bỏ chất độc, gen này không còn cần thiết một chút nào.

Tế bào nhỏ của Venter là một sản phẩm không chỉ đại diện của môi trường sống của nó, mà còn là của toàn bộ lịch sử sự sống trên trái đất. Đôi khi trong bản ghi chép của lịch sử bốn nghìn năm của sinh học, tế bào đơn giản hơn tế bào này có thể đã từng tồn tại. “Chúng ta không phải đi từ không có gì đến một tế bào với 400 gen”, Szostak nói. Ông và những người khác đang cố gắng để tạo nhiều dạng sinh vật sống cơ bản khác, đại diện cho những giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa.

Nhiều nhà khoa học nói cách tiếp cận từ dưới lên này là cần thiết để thực sự hiểu được bản chất của sự sống. Nếu chúng ta đã từng thực sự hiểu được thậm chí là sinh vật sống đơn giản nhất, chúng ta đã có thể thiết kế và tổng hợp một sinh vật ngay từ đầu. Anthony Forster, một nhà sinh vật học tại Đại học Uppsala ở Thụy Điển cho biết. "Chúng ta vẫn còn xa để đạt được mục tiêu này".