Nỗ lực 15 năm của các nhà khoa học nhằm xây dựng bộ gen nấm men tổng hợp hoàn toàn đã đạt được một cột mốc quan trọng. Trong một loạt bài báo mới, nhóm nghiên cứu báo cáo rằng lần đầu tiên họ đã thiết kế các tế bào nấm men khả thi bằng cách sử dụng hơn 50% DNA tổng hợp và tạo ra các phiên bản tổng hợp của gần như mọi nhiễm sắc thể, cộng với một nhiễm sắc thể hoàn toàn mới.
Sinh vật tổng hợp hoàn toàn đầu tiên trên thế giới ra đời vào năm 2010 và đã được điều chỉnh qua nhiều năm để cho phép nó tự phát triển và phân chia, thậm chí là di chuyển. Nhưng sinh vật này và những sinh vật tương tự khác đều là vi khuẩn và bộ gen của chúng rất đơn giản, chỉ có một nhiễm sắc thể.
Các nhà khoa học khác đang nỗ lực tạo ra các phiên bản tổng hợp của các dạng sống phức tạp hơn, bao gồm Dự án Nấm men tổng hợp (Sc2.0), nhằm mục đích tạo ra bộ gen Saccharomyces cerevisiae tổng hợp hoàn toàn, biến nó thành sinh vật nhân chuẩn nhân tạo đầu tiên - một lớp sống lớn bao gồm tất cả thực vật và động vật.
Nấm men bọc DNA của nó trong 16 nhiễm sắc thể, sáu trong số đó dự án đã tổng hợp trước đó. Trong một loạt nghiên cứu mới, các nhà khoa học Sc2.0 đã bổ sung thêm 8 nhiễm sắc thể nữa và tiến hành một loạt thí nghiệm để khám phá đặc tính sinh học của nấm men cũng như những thay đổi nào có thể được thực hiện một cách an toàn trong các phiên bản tổng hợp.
Một trong những thay đổi lớn đối với bộ gen là việc xóa các đoạn DNA lặp lại lớn. Các vùng này không mã hóa cho bất cứ điều gì cụ thể nhưng chúng tổ chức lại lẫn nhau, gây ra những thay đổi đáng kể về cấu trúc. Nhóm nghiên cứu cho biết bằng cách xóa các vùng này, họ có thể kiểm soát bộ gen tốt hơn và làm cho nó ổn định hơn.
Trong một nghiên cứu khác, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một nhiễm sắc thể hoàn toàn mới chứa một đoạn DNA mã hóa axit ribonucleic chuyển (tRNA). Nhóm nghiên cứu cho biết những chuỗi DNA này dễ bị mất ổn định, do đó, việc cắt chúng ra khỏi vị trí thông thường trong bộ gen và đặt chúng vào nhiễm sắc thể của chính chúng cũng sẽ giúp cải thiện tính ổn định của toàn bộ bộ gen.
Các nhóm nghiên cứu khác đã đẩy giới hạn khả năng tồn tại của nấm men bằng cách tạo ra những thay đổi đáng kể đối với cấu trúc của nhiễm sắc thể, chẳng hạn như hợp nhất chúng lại với nhau, lộn ngược "cánh tay" của chúng hoặc cố tình gấp chúng không đúng cách. Những gì họ tìm thấy là một lượng thay đổi đáng ngạc nhiên mà tế bào nấm men có thể chịu đựng và vẫn phát triển.
Tiếp theo, các nhà khoa học Sc2.0 bắt đầu lắp ráp càng nhiều nhiễm sắc thể tổng hợp càng tốt vào một tế bào nấm men sống. Họ đã sử dụng một kỹ thuật từng bước để lai các chủng có một nhiễm sắc thể tổng hợp từ mỗi loài nấm men và sau đó chọn ra con cái có được đột biến từ cả bố và mẹ. Bằng cách lặp lại quá trình này qua nhiều thế hệ, họ đã tạo ra một chủng nấm men chứa 6,5 nhiễm sắc thể tổng hợp.
Cuối cùng, họ đã sử dụng một công nghệ mới được phát triển trong dự án để thay thế một nhiễm sắc thể khác vào chủng này, tạo ra một loại nấm men có bộ gen bao gồm 7,5 nhiễm sắc thể tổng hợp, nghĩa là đây là chủng đầu tiên tổng hợp hơn 50% DNA của nó.
Mặc dù các nhà khoa học phải mất 15 năm mới đi được nửa chặng đường nhưng họ dự đoán rằng công việc đằng sau nó sẽ diễn ra suôn sẻ và chỉ trong một năm nữa, họ sẽ có thể tạo ra chủng nấm men tổng hợp 100%. Hai nhiễm sắc thể cuối cùng đã được tổng hợp và một bài báo dự kiến sẽ được xuất bản trong những tháng tới. Sau đó là công việc chỉnh sửa và gỡ lỗi tẻ nhạt để đảm bảo men vẫn có thể tồn tại.
Kết quả của dự án này - một chủng nấm men tổng hợp hoàn toàn - có thể giúp ích cho thế giới nhiều hơn bạn nghĩ. Hiện nay, nấm men không chỉ sản xuất ra thực phẩm mà còn sản xuất ra thuốc kháng sinh, thuốc, nhiên liệu sinh học và một loạt các phân tử hữu ích khác. Nấm men có thể được thiết kế để sản xuất hiệu quả hơn hoặc mở rộng phạm vi sản xuất nhằm giải quyết các vấn đề lớn khác.
10 bài báo của nghiên cứu này đã được công bố trên các tạp chí Tế bào, Tế bào phân tử và Genomics tế bào.