Tế bào nhân tạo đã lớn lên, tự nhân đôi DNA và phân bào, thể hiện đầy đủ các chức năng cơ bản của một chu kỳ tế bào.
Kate Adamala, nhà sinh học tổng hợp tại Đại học Minnesota (Mỹ), người chủ trì nghiên cứu chưa qua bình duyệt này nói rằng, khi nắm trong tay một bản thiết kế và danh sách đầy đủ các thành phần hóa học của từng chi tiết, ta có thể tạo ra các tế bào nhân tạo có chủ đích.
Lắp ráp tế bào từ các thành phần phân tử không có sự sống khi đứng riêng lẻ. Minh họa: Hyacinth Empinado/STAT, cấp phép mở
Dĩ nhiên, tế bào này vẫn chưa được coi là tự sống được theo bất kỳ định nghĩa nào. Nó không thể tồn tại nếu thiếu nguồn cung cấp dinh dưỡng liên tục và ribosome tức bộ máy cần thiết để tổng hợp protein. Nó cũng không có khả năng tự bảo vệ hay hệ thống đào thải chất thải hiệu quả.
Trong tương lai, những tế bào nhân tạo có thể được tối ưu để làm những việc mà tế bào tự nhiên khó lòng hoàn thành xuất sắc, chẳng hạn sản xuất nhiên liệu sinh học, tiết ra các hợp chất làm thuốc hoặc phục vụ nghiên cứu bệnh tật.
Chúng cũng mở đường cho việc giải đáp các câu hỏi cơ bản về sự sống như sự sống có thể bắt đầu như thế nào, cần những điều kiện tối thiểu nào để duy trì sự sống, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta thay đổi cấu trúc sinh học tạo nên sự sống trên Trái Đất ngày nay? Hay như cách Kate Adamala đặt vấn đề, "Sinh học có thể làm được những gì khác nữa?"
Hành trình kiến tạo sự sống trong phòng thí nghiệm
Khoảng 4 tỷ năm trước, tế bào sống được sinh ra trên Trái Đất. Một nhóm các phân tử không có sự sống (nonliving) đã kết hợp với nhau để tạo nên những tế bào nguyên thủy (protocells) đầu tiên. Chúng có khả năng hấp thụ dinh dưỡng, phát triển và phân chia. Sau đó, theo thời gian, các quá trình tiến hóa xuất hiện, giúp các tế bào thay đổi và đa dạng hóa thành nhiều chủng loại khác nhau, tô điểm cho thế giới hoang vu bằng đủ loại sinh vật kỳ lạ. Có thể nói, bằng một cách thần kỳ nào đó, thế giới thuần túy hóa học đã nở rộ thành một thế giới sinh học sống động.
Đến tận ngày nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể thống nhất quá trình chuyển đổi từ chỗ không có sự sống sang sự sống diễn ra như thế nào. Và họ đã nhiều lần tự mình thử nghiệm điều đó trong phòng thí nghiệm.
Trong số đó, nhóm của Kate Adamala thử xây dựng sự sống từ những bước cơ bản nhất, bắt đầu từ các thành phần phân tử không có sự sống khi đứng riêng lẻ rồi 'lắp ráp' chúng lại để tạo nên một hệ thống giống một tế bào sống.
Mọi tế bào sống đều đi theo một chu trình chung: phát triển, nhân đôi DNA, phân bào và tiến hóa. Chúng phiên mã DNA thành RNA, sau đó tạo ra các protein để thực hiện những nhiệm vụ cùng các hoạt động khác giúp tế bào vận hành, chẳng hạn chuyển hóa các phân tử thành năng lượng. Tất cả những quá trình này đều diễn ra bên trong một màng lipid giữ cho tất cả các vật liệu cần thiết ở cùng một chỗ.
Nhóm Adamala muốn tạo ra một tế bào tổng hợp mô phỏng quá trình đó. Họ xây dựng một bộ gene tế bào cỡ nhỏ (khoảng 90.000 cặp bazơ trải rộng trên chín phân tử DNA riêng biệt), đồng thời cung cấp cho nó mọi vật liệu sinh học cần thiết để thực hiện những nhiệm vụ phức tạp của tế bào. Tất cả thành phần này được chứa trong một liposome (túi rỗng bao bọc bởi một màng lipid đơn giản) đóng vai trò làm thân tế bào.
Để tế bào nhân tạo có được cơ chế sao chép DNA và truyền cho thế hệ sau, nhóm nghiên cứu dùng một hệ thống nhân đôi vật chất di truyền do hai nhà sinh vật học Hannes Mutschler và Christophe Danelon phát triển. Sau đó, họ tinh chỉnh bộ gene để nó hoạt động nhịp nhàng với những hệ thống khác, bao gồm một bộ 36 enzyme (mua sẵn trên thị trường) giúp đọc DNA và tạo ra protein.
Kính hiển vi huỳnh quang cho thấy một tế bào tổng hợp đang trải qua quá trình phân chia tế bào. Ảnh: Phòng thí nghiệm Adamala
Vì bộ gene tổng hợp này không có các gene chuyển hóa thức ăn thành năng lượng cũng như không có nhiều phân tử phức tạp mà tế bào cần để duy trì sự sống, các nhà nghiên cứu phải chuẩn bị sẵn nguồn cung cấp dưỡng chất từ bên ngoài.
Họ nạp những phân tử như đường, lipid, enzyme cùng một số phân tử RNA vận chuyển (tRNA) và ribosome vào các túi liposomes khác nhau. Để tế bào nhân tạo có thể hấp thụ dưỡng chất từ những túi liposomes, họ biến đổi một loại protein nằm trên màng tế bào có khả năng hút các bong bóng lipid về phía mình. Khi một bong bóng lipid chạm vào tế bào, màng của chúng sẽ hòa với nhau, giải phóng các chất bổ sung vào bên trong.
Không dễ để làm cho các hệ thống kể trên phối hợp hoạt động trơn tru với nhau. Sau khi được tinh chỉnh và tối ưu hóa thêm một vài bước, tế bào nhân tạo bắt đầu phát triển và tự nhân đôi DNA.
"Tôi suýt chút nữa đã nói ‘Xong rồi’ và ‘Chúng ta chuẩn bị công bố thôi’," Adamala nhớ lại. Thế nhưng, vẫn còn một bước cần được chứng minh, đó là khả năng phân bào.
Đây chính là điểm nghẽn trong suốt một thời gian dài. Trước Adamala, các nhà nghiên cứu đã tìm ra nhiều cách khác nhau để nuôi dưỡng, làm cho tế bào nhân tạo lớn lên, cũng như nhân đôi DNA của chúng. Thế nhưng, sự phân chia tế bào lại là một thử thách hoàn toàn khác.
Một tế bào bình thường sẽ tái cấu trúc bộ khung xương tế bào (cytoskeleton) để chia đôi DNA và tách ra thành hai tế bào riêng rẽ. Nhưng quy trình này cực kỳ khó tái tạo trong phòng thí nghiệm.
Vì vậy, Adamala quyết định bỏ qua mô hình khung xương tế bào. Một ngày nọ, khi đang nghiên cứu tài liệu, bà tình cờ bắt gặp một cơ chế thú vị trong một bài báo của Reinhard Lipowsky ở Viện Max Planck về Chất keo và Giao diện (Đức).
Bằng cách gắn các thẻ protein vào màng tế bào, nhóm của Lipowsky đã hút các protein tụ lại dày đặc xung quanh màng tế bào và uốn cong lớp màng, buộc tế bào phải phân chia. Học theo hướng tiếp cận này, Adamala đã tinh chỉnh một loại protein màng tế bào và thử nghiệm nó trên các tế bào nguyên thủy của mình. Sau nhiều lần thử nghiệm, phương pháp này đã thành công.
Suốt một thời gian dài, Adamala không dám tin đó là sự thật. Bà có cảm giác như kiểu "Trời ơi, mình thực sự đã tạo ra một tế bào phân chia sao?" Sau nhiều lần kiểm tra đi kiểm tra lại, Adamala mới vững dạ tự nhủ, "Được rồi, giờ thì đúng nó là thật rồi!"
Nhà sinh học tổng hợp Kate Adamala. Ảnh: Biotic
Job Boekhoven, nhà hóa học hệ thống tại Đại học Kỹ thuật Munich (Đức), người không tham gia vào nghiên cứu, đánh giá kết quả của Adamala là "một thành tựu khổng lồ". Ông ca ngợi nghiên cứu của bà "đã chứng minh một cách tuyệt đẹp cơ chế phân chia tế bào".
Michael Lynch, nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Bang Arizona (Mỹ), người cũng không tham gia vào nghiên cứu, đồng tình với quan điểm này và gọi đây là "một kiệt tác của ngành sinh học tổng hợp". Tuy nhiên, ông lưu ý không nên thổi phồng quá mức vì tế bào vẫn chưa thể tự duy trì sự sống một cách độc lập.
Các sinh viên bắt đầu gọi những tế bào tổng hợp này là "tế bào Adamala". Nhưng bà không thích điều đó và khăng khăng đòi họ phải gọi tên khác. Bà đùa rằng lấy tên "khoai tây" cũng được, thế là đám học trò bắt đầu gọi chúng là "tế bào khoai tây" (Spudcells).
Mỗi tế bào này đều siêu nhỏ. Bộ gene của nó nhỏ hơn rất nhiều so với gene vi khuẩn, và vẻ ngoài thì chẳng có gì đặc biệt. "Với tôi thì nó đẹp lắm, vì tôi cực kỳ tâm huyết với nó. Nhưng nếu bạn nhìn nó qua kính hiển vi, bạn sẽ kiểu, 'À, trông cũng chỉ là một cục tròn tròn vô tri'," Adamala cười nói.
Mảnh ghép tiến hóa còn thiếu của tế bào nhân tạo
Mặc dù đã tạo ra tế bào nhân tạo có thể lớn lên và phân chia, nhưng liệu sự kiện này có tiến thêm bước nào đến gần hơn một dạng sống thực sự, có khả năng tiến hóa?
Nhóm của Adamala đã bắt đầu can thiệp vào DNA của tế bào nhân tạo để xem có thể giúp một số tế bào phát triển lớn hơn hoặc phân chia nhanh hơn hay không. Về bản chất, đây là việc tạo ra các biến dị di truyền trong quần thể tế bào.
Họ nhận thấy những tế bào phát triển lớn hơn cũng sinh ra nhiều tế bào con hơn và bắt đầu chiếm số lượng áp đảo sau 5 thế hệ. Trong điều kiện thiếu chất dinh dưỡng, lợi thế cạnh tranh của những tế bào lớn hơn càng tăng lên. Nói cách khác, những đặc điểm di truyền đã bắt đầu được chọn lọc trong quần thể. Đây chính là bước đi đầu tiên hướng tới sự tiến hóa.
Tuy nhiên, những gì nhóm của Adamala chứng minh được chưa hẳn là chọn lọc tự nhiên. Lý do là các nhà khoa học vẫn phải tạo ra các biến dị di truyền bằng phương pháp nhân tạo, chứ không phải thông qua các đột biến ngẫu nhiên trong DNA.
Các tế bào tổng hợp có khả năng tự nhân lên DNA và phân chia tế bào. Ảnh: Pexels
Job Boekhoven tin rằng tiến hóa chính là mảnh ghép còn thiếu. Nếu chúng ta tìm ra cách giúp các tế bào nhân tạo biết tiến hóa thì đó sẽ là một bước nhảy vọt cực kỳ vĩ đại trong khoa học.
Tóm lại, con người còn cách rất xa việc chế tạo ra một thứ gì đó gần giống với tế bào sống hiện đại, mặc dù những tế bào mới này đã là phiên bản giống tự nhiên nhất từ trước đến nay.
Cần sự chung tay của cả cộng đồng khoa học
Adamala ví tế bào hiện đại giống như một chiếc máy bay Boeing 787, còn tế bào nhân tạo mà họ tạo ra mới ở mức tương tự chiếc xe đạp đầu tiên gắn thêm cánh và bay được 30 mét của anh em nhà Wright.
Còn rất nhiều việc phải làm, và điều đó cần đến sự chung tay của cả cộng đồng khoa học. Bởi vậy, bên cạnh việc chia sẻ các kết quả mới, Adamala và các nhà sinh học tổng hợp khác đã công bố thành lập một tổ chức phi lợi nhuận mang tên Biotic để cung cấp các công cụ sinh học tổng hợp của mình cho các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới.
Nhóm Adamala cũng công khai toàn bộ dữ liệu và phương pháp trên Biotic để các nhà sinh học tổng hợp khác có thể bắt đầu xây dựng và cải tiến tế bào này. Họ hy vọng rằng trong nhiều thập kỷ tới, những tế bào tổng hợp sẽ có khả năng tạo ra nhựa hoặc sản xuất ra phân bón và biệt dược.
Adamala giải thích, các loại thuốc, vật liệu, hóa chất công nghiệp và nhiều sản phẩm hằng ngày mà thế giới đang phụ thuộc vào được tạo ra theo hai cách: hoặc từ các quy trình công nghiệp tiêu tốn lượng năng lượng khổng lồ và gây tổn hại lớn đến môi trường; hoặc thông qua quá trình biến đổi phân tử trong các tế bào sống tự nhiên do chúng ta can thiệp để cho ra sản phẩm mong muốn.
"Các tế bào tổng hợp được tạo ra từ đầu có thể thực hiện những biến đổi phân tử mà hóa học công nghiệp không thể làm được," Adamala nói.
--
Tài liệu tham khảo:
Nathaniel J. Gaut, Christopher Deich, Brock Cash, Tanner Hoog, Aaron E. Engelhart, Katarzyna P. Adamala. (2026), A Chemically Defined Synthetic Cell Capable Of Growth And Replication, Biotic. https://biotic.org/research/spudcell/spudcell-manuscript.pdf
Saplakoglu, Y. (2026). For the First Time, a Cell Built From Scratch Grows and Divides, Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/for-the-first-time-a-cell-built-from-scratch-grows-and-divides-20260701/
BrandonVigliarolo. (2026), An artificial cell with a full lifecycle has been created for the first time, The Register. https://www.theregister.com/science/2026/07/01/an-artificial-cell-with-a-full-lifecycle-has-been-created-for-the-first-time/5265296
--
Xem thêm: