Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Macquarie đã làm việc với một nhóm các nhà khoa học quốc tế, hoàn thành việc tạo ra nhiễm sắc thể cuối cùng trong bộ gen nấm men tổng hợp đầu tiên – Saccharomyces cerevisiae – sau hơn một thập kỷ nghiên cứu, đạt được một cột mốc quan trọng trong sinh học tổng hợp thế giới, mở ra những khả năng mới trong việc tạo ra các sinh vật được thiết kế với khả năng ứng dụng cao.

Thành tựu này được thể hiện thông qua công bố của dự án Sc2.0 toàn cầu nhằm tạo ra bộ gen sinh vật nhân thực tổng hợp đầu tiên trên thế giới từ Saccharomyces cerevisiae (nấm men làm bánh) và một loại nhiễm sắc thể tRNA mới chưa từng có trong tự nhiên.

Bằng cách sử dụng các kỹ thuật chỉnh sửa bộ gen tiên tiến, bao gồm công nghệ CRISPR D-BUGS, nhóm nghiên cứu đã xác định và sửa chữa các lỗi di truyền ảnh hưởng đến sự phát triển của nấm men. Những thay đổi này đã khôi phục khả năng phát triển của chủng trên glycerol, một nguồn carbon quan trọng, trong điều kiện nhiệt độ cao.
 
Trong dự án Sc2.0, việc thiết kế ban đầu các nhiễm sắc thể nhân tạo như synXVI bằng BioStudio đã gây ra lỗi phát triển ở nấm men do chèn các trình tự như loxPsym vào những vùng trùng lặp với gen chức năng, đặc biệt là các ORF đáng ngờ. Rút kinh nghiệm từ những lỗi này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế lại synXVI bằng phần mềm Geneious Prime, sử dụng dữ liệu từ dòng BY4741 và phiên bản cũ của synXVI. Thiết kế mới nhằm giảm thiểu sự gián đoạn gen thiết yếu bằng cách điều chỉnh vị trí chèn marker, thay đổi kích thước và điểm cuối của các megachunk, loại bỏ các loxPsym gần vùng khởi đầu gen đã xác minh và phục hồi các codon dừng TAG trong các ORF nghi ngờ. Đồng thời, các PCR tag bị trùng lặp hoặc gây biến đổi axit amin cũng được loại bỏ hoặc giảm thiểu. Phiên bản mới – synXVI version 2.0 – đã được đơn giản hóa, chỉ còn 314 loxPsym sites, 118 codon dừng TAA được mã hóa lại, và 726 thẻ PCR (so với 330, 124 và 1208 trong phiên bản đầu). Thiết kế này được xem là bước khởi đầu cho chu trình thiết kế – xây dựng – kiểm tra – học hỏi (design–build–test–learn) ở quy mô nhiễm sắc thể thế hệ thứ hai.

Bước đột phá này, được công bố trong trên tạp chí Nature Communications, chứng minh cách các nhiễm sắc thể được thiết kế có thể được lập trình, xây dựng và gỡ lỗi để tạo ra các sinh vật có khả năng có khả năng chống chịu tốt hơn, đảm bảo chuỗi cung ứng cho sản xuất thực phẩm và dược phẩm trong bối cảnh biến đổi khí hậu và các đại dịch trong tương lai.
 
Hình 2 cho thấy năm chủng đơn bội (5, 6, 8, 10 và 11) được xây dựng trên nền tẳng chủng BY4741 (được đánh dấu màu xanh lam) với DNA tổng hợp liền kề (được đánh dấu màu đỏ). Việc chuyển đổi các kiểu bắt cặp đã hỗ trợ quá trình tái tổ hợp giảm phân để tạo ra các nhánh nhiễm sắc thể. Chủng 9, mang tất cả DNA tổng hợp synXVI cho nhánh nhiễm sắc thể bên trái đến megachunk O, được tạo ra bằng cách lai các chủng 5 và 6 để tạo ra chủng 7, sau đó được lai với chủng 8. Chủng 12, mang tất cả DNA tổng hợp từ nhánh nhiễm sắc thể phải synXVI cộng với các megachunk O đến Q, được tạo ra bằng cách lai chủng 10 và chủng 11. Chủng 15 mang DNA tổng hợp từ chunk B3 đến BB4, được tạo ra bằng cách lai giữa chủng 12 và chủng 9. Quá trình kiểm tra, khắc phục sai sót và bổ sung các chunks và megachunks còn thiếu được hoàn thiện ở chủng 15. Sau đó, các vùng dưới telomere bị thiếu trên cánh trái của synXVI được đưa trở lại, dẫn đến sự hình thành chủng tổng hợp hoàn chỉnh Chủng 30. Tâm động (Centromere) CEN16 được đánh dấu màu hồng trên chunk Q4.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các công cụ chỉnh sửa gen chuyên dụng để xác định và khắc phục các vấn đề trong nhiễm sắc thể tổng hợp, ảnh hưởng đến mức độ sinh sản và phát triển của nấm men trong các điều kiện stress. Họ phát hiện rằng việc đặt các marker di truyền gần các vùng gen chưa xác định vô tình gây ảnh hưởng đến cách các gen thiết yếu được và không được kích hoạt, đặc biệt ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa đồng và phân chia vật liệu di truyền trong tế bào. Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng đối với các dự án kỹ thuật bộ gen trong tương lai, giúp thiết lập các nguyên tắc thiết kế có thể áp dụng cho các sinh vật khác.
 
Việc hoàn thành nhiễm sắc thể tổng hợp synXVI cho phép các nhà khoa học khám phá những khả năng mới trong kỹ thuật trao đổi chất và tối ưu hóa chủng vi sinh vật. Nhiễm sắc thể tổng hợp bao gồm các tính năng cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra sự đa dạng di truyền theo yêu cầu, thúc đẩy sự phát triển của nấm men có khả năng cải thiện các ứng dụng công nghệ sinh học hiệu quả và bền vững hơn, từ sản xuất dược phẩm đến tạo ra vật liệu mới.

Nghiên cứu cung cấp những hiểu biết có giá trị cho các dự án sinh học tổng hợp trong tương lai, bao gồm các ứng dụng tiềm năng trong việc thiết kế bộ gen thực vật và động vật có vú. Các nguyên tắc thiết kế mới của nhóm nghiên cứu, nhằm tránh việc đặt các yếu tố di truyền có thể gây gián đoạn gần các gen quan trọng, sẽ hỗ trợ những nhà khoa học khác đang làm việc với nhiễm sắc thể tổng hợp.

Đại học Macquarie đóng góp hơn 12% vào toàn bộ dự án Sc 2.0, với sự hỗ trợ từ Sở Công nghiệp Sơ cấp NSW, Trung tâm Xuất sắc của Hội đồng Nghiên cứu Úc về Sinh học Tổng hợp, cùng với các khoản tài trợ bên ngoài từ Bioplatforms Australia và Giám đốc Khoa học & Kỹ thuật NSW.
 
Tham khảo: Tài liệu do Đại học Macquarie cung cấp. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về phong cách và độ dài.
 
Tài liệu tham khảo:
Hugh D. Goold, Heinrich Kroukamp, Paige E. Erpf, Yu Zhao, Philip Kelso, Julie Calame, John JB Timmins, Elizabeth LI Wightman, Kai Peng, Alexander C. Carpenter, Briardo Llorente, Carmen Hawthorne, Samuel Clay, Niël van Wyk, Elizabeth L. Daniel, Fergus Harrison, Felix Meier, Robert D. Willows, Yizhi Cai, Roy SK Walker, Xin Xu, Monica I. Espinosa, Giovanni Stracquadanio, Joel S. Bader, Leslie A. Mitchell, Jef D. Boeke, Thomas C. Williams, Ian T. Paulsen, Isak S. Pretorius. Xây dựng và thiết kế lại lặp đi lặp lại của synXVI một nhiễm sắc thể Saccharomyces cerevisiae tổng hợp 903 kb. Truyền thông Thiên nhiên, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038 / s41467-024-55318-3 

Nguồn: Macquarie University. "Final synthetic yeast chromosome unlocks new era in biotechnology." ScienceDaily. ScienceDaily, 22 January 2025. <www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250122125522.htm>.