Khoa học tạo ra sinh vật mới chỉ có một nhiễm sắc thể
Trong 20 tiệu năm qua, các loài nấm men có khả năng lên men bia vẫn có 16 nhiễm sắc thể. Giờ đây các nhà khoa học đã tạo ra một loài mới với chỉ một nhiễm sắc thể duy nhất. Khoa học tạo ra sinh vật mới chỉ có một nhiễm sắc thể
Các nhà khoa học Trung Quốc đã dùng CRISPR để tạo ra một loài nấm men mới, theo một nghiên cứu mới được công bố trên Nature. Nó đánh dấu lần đầu tiên công nghệ chỉnh sửa gen gây tranh cãi được sử dụng thành công để tạo ra một loài nhân tạo với hệ gen đơn bội và xác định tiềm năng công nghệ của “kỷ nguyên chỉnh sửa toàn hệ gen.” Khoa học tạo ra sinh vật mới chỉ có một nhiễm sắc thể
Nấm men được tìm thấy trong nhiều loại thức ăn mà bạn tiếp xúc hằng ngày một cách rất phổ thông, như là bia, bánh mì và sữa chua. “Nấm men” là một thuật ngữ dùng chung cho một nhóm cực kỳ đa dạng của các loài đơn bào thuộc về hau lớp: Ascomycota và Basidiomycota. Nấm mem mà người ta dùng trong thức ăn thuộc lớp thứ nhất. Trong khoảng 20 triệu năm qua, các tế bào nấm men này tất cả đều có 16 nhiễm sắc thể.
Lý do tại sao mà một số loài có nhiều nhiễm sắc thể hơn một số loài khác là một bí ẩn của sinh học. Con người là một ví dụ, có các gen được xếp vào 46 nhiễm sắc thể, trong khi một loài dương xỉ có tới 1260 nhiễm sắc thể. Sinh vật nhân thực duy nhất từng được biết trong tự nhiên mà chỉ có một nhiễm sắc thể duy nhất đó là kiến nhảy (jack jumper ants) đực. Khoa học tạo ra sinh vật mới chỉ có một nhiễm sắc thể
Ở Trung Quốc, một nhóm các nhà khoa học được dẫn đầu bởi Zhogjun Qin, một nhà vi sinh vật học tại Phòng thí nghiệm trọng điểm về Sinh học Tổng hợp ở Thượng Hải, muốn biết liệu có thể giảm số lượng nhiễm sắc thể của nấm men về một được hay không. Khoa học tạo ra sinh vật mới chỉ có một nhiễm sắc thể
“Những ưu điểm của nhiều nhiễm sắc so với một nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân thực vẫn chưa được biết rõ,” các nhà nghiên cứu viết trong công bố của họ. ‘Trong nghiên cứu này, chúng tôi tái cấu trúc hệ gen của loài Saccharomyces cerevisiae [nấm men bia] thành một nhiễm sắc thể khổng lồ, để khám phá xem liệu một tế bào nấm men với chỉ một nhiễm sắc thể dung hợp nhờ nhân tạo có thể sống và hoàn tất một chu kỳ sinh sản hay không.” Khoa học tạo ra sinh vật mới chỉ có một nhiễm sắc thể
Để tạo ra một loài nấm men mới, Qin và cộng sự đã sử dụng CRISPR để cắt đoạn nhỏ đặc biệt vốn dùng có vai trò quan trọng trong phân ly nhiễm sắc thể, hay chính là tâm động, từ các nhiễm sắc thể nấm men. Các trình tự DNA tại đầu mút (telomere) cũng được loại đi, phần có vai trò bảo vệ nhiễm sắc thể. Sau đó các nhiễm sắc thể được nối với nhau ngẫu nhiên để hình thành một chuỗi rất dài sử dụng cơ chế tái tổ hợp di truyền tự nhiên của nấm men. Khoa học tạo ra sinh vật mới chỉ có một nhiễm sắc thể
“Thí nghiệm của chúng tôi cho thấy 8 cặp nhiễm sắc thể được chọn lựa ngẫu nhiên có thể được dung hợp thành công và tạo ra các chủng sinh trưởng nhanh chóng y như các chủng thông thường, chỉ ra rằng các tế bào nấm men có thể chấp nhận được sự dung hợp ngẫu nhiên của các nhiễm sắc thể,” các nhà nghiên cứu báo cáo.
Jef Boeke, một nhà di truyền học tại Đại học New York (NYU), người đã dừng ở giai đoạn giảm số nhiễm sắc thể nấm men xuống thành một cặp. Nhóm nghiên cứu của Qin và Boeke sử dụng các thao tác khác nhau để tạo ra nấm men với một “siêu nhiễm sắc thể”, nhưng cả hai cùng công bố phát hiện trên Naute hôm 1 tháng 8.
Nhóm của Boeke cũng sử dụng CRISPR để cắt bỏ telomere và tâm động nhằm tạo ra chủng nấm men với số lượng nhiễm sắc thể ngày càng ít đi. Họ kết thúc với tế bào bấm men có 2 nhiễm sắc thể, nhưng không thể tiếp tục dung hợp chúng thành một được. Lời giải thích cho hai nghiên cứu này đó là có thể nhóm của Qin đã loại đi thêm 19 trình tự DNA lặp lại. Các trình tự này có thể ảnh hưởng đến cơ chế mà các tế bào dùng để gắn hai nhiễm sắc thể thành một, Qin gợi ý. Hoặc, theo Boeke nói, có thể họ không may mắn: có khoảng 1019 cách khác nhau để sắp xếp 16 nhiễm sắc thể thành 1, và nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã vô tình gặp được tổ hợp kết hợp chính xác.
Cả hai chủng nấm men “tối thiểu” nhân tạo được quan sát dưới kính hiển vi, và những thay đổi về số nhiễm sắc thể có tác động không nhiều đối với hoạt động gen. Nhưng trong khi chủng của Boeke trải qua chu kỳ sinh sản vô tính bình thường và phát triển tốt như các chủng dại, chủng của Qin phân chia chậm hơn.
Ảnh hưởng chính duy nhất – đối với sản phẩm của cả hai nhóm – đó là trong sinh sản hữu tính. Nấm men một nhiễm sắc thể của nhóm Trung Quốc thậm chí còn phát triển chậm hơn so với chủng thông thường khi hệ gen của nó được gấp đôi lên (lưỡng bội) nhờ việc giao phối, và nó vì thế cũng tạo ra ít bào tử nấm hơn.
Còn nhóm nghiên cứu NYU đã quan sát thấy các nhược điểm khi họ thử cho giao phối chủng mới với các chủng khác khác biệt về số nhiễm sắc thể để tạo bào tử. Sự không tương hợp di truyền này có thể được dùng để ngăn cản việc các chủng nhân tạo được giải phóng vào môi trường có thể sinh sản hữu tính với chủng dại. Ông cũng nhấn mạnh rằng nấm men hai nhiễm sắc thể của mình có thể được coi là một loài riêng bởi nó không sinh sản với nấm men thường, mặc dù chúng rất tương đồng về DNA. Khoa học tạo ra sinh vật mới chỉ có một nhiễm sắc thể
Các nhà nghiên cứu thấy các kết quả của họ như là một đóng góp vào một sự hiểu biết rõ hơn về cách mà tiến hóa tác động đến cấu trúc cũng như chức năng nhiễm sắc thể. William Noble, một nhà sinh học tính toán tại đại học Washington, nói rằng nghiên cứu các chủng nấm này giải thích tại sao gần như tất cả các sinh vật nhân thực lại chia nhỏ hệ gen của chúng thành nhiều nhiễm sắc thể. “Nếu bạn chỉ cần một, thì đó hẳn là nguyên lý ‘đơn giản nhất là tốt nhất’ ”.
Nghiên cứu:
- Shao Y, Lu N, Wu Z, Cai C, Wang S, Zhang LL, Zhou F, Xiao S, Liu L, Zeng X, Zheng H. Creating a functional single-chromosome yeast. Nature. 2018 Aug 1:1.
- Luo J, Sun X, Cormack BP, Boeke JD. Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast. Nature. 2018 Aug 1:1.
Bài viết tham khảo từ: nature.com/articles/d41586-018-05857-9?utm_source=breakingnews&utm_medium=email&utm_campaign=NNP#ref-CR1
Đọc thêm: Buồng trứng nhân tạo cho bệnh nhân ung thư buồng trứng
iceberg (biên tập)
tapchisinhhoc.com
No Responses