Trong truyện ngắn nổi tiếng Thư viện Babel, nhà văn Argentina Jorge Luis Borges mô tả một thư viện chứa mọi cuốn sách đã và sẽ được viết ra. Những cuốn sách về tất tật các chủ đề trong thư viện giả tưởng này được tạo ra từ tất cả các cách sắp xếp có thể có của 25 ký tự trong bảng chữ cái, do đó sẽ bao gồm cả những cuốn sách có nghĩa và vô nghĩa. Dù thừa nhận rằng con người khó có thể tìm hết những cuốn sách có ý nghĩa trong thư viện Babel, Borges vẫn hình dung rằng các thủ thư có thể xây dựng một lý thuyết tổng quát về thư viện, qua đó nắm được trật tự ẩn bên trong kho văn bản tưởng chừng hỗn loạn ấy.
Ẩn dụ về Thư viện Babel quả là phù hợp để giúp chúng ta hình dung sự đa dạng gần như vô tận của các trình tự DNA. Về lý thuyết, những tiến bộ trong giải trình tự và tổng hợp DNA (hay tạo ra một đoạn DNA từ các thành phần hóa học) có thể giúp con người từng bước khám phá thư viện này, tìm ra những vùng chứa các trình tự di truyền có tiềm năng tạo nên những đặc tính sinh học nhất định.
Tuy nhiên, đến nay, chúng ta vẫn chưa xây dựng được một lý thuyết đủ sức dự đoán những khu vực nào trong không gian DNA rộng lớn chứa các trình tự có ý nghĩa sinh học.
Về lý thuyết, Thư viện Babel sinh học có thể chứa tất cả các trình tự gen của mọi sinh vật có thể có trên đời. Ảnh minh họa: Pexels
Khác với những cuốn sách của Borges, ngôn ngữ của sự sống sử dụng một bảng chữ cái đơn giản hơn nhiều, chỉ gồm bốn loại nucleotide cấu thành vật liệu di truyền là Adenine (A), Thymine (T), Guanine (G) và Cytosine (C).
Nhà triết học Daniel Dennett từng đề xuất một phiên bản Thư viện Babel sinh học, tập hợp những chuỗi nucleotide có thể xảy ra. Ông gọi thư viện giả tưởng này là "Thư viện Mendel", theo tên Gregor Mendel, nhà khoa học người Áo đặt nền móng cho ngành di truyền học hiện đại.
Một số người còn gọi thư viện này là Thư viện Fred, để vinh danh Frederick Sanger, nhà hóa sinh người Anh, cha đẻ của phương pháp giải trình tự gen cho phép chúng ta đọc chính xác trình tự các nucleotide của bất kỳ đoạn DNA nào.
Giữa đại dương những trình tự DNA vô nghĩa
Về lý thuyết, Thư viện Babel sinh học chứa "bản thiết kế di truyền" của mọi sinh vật từng tồn tại trên Trái Đất đến những sinh vật giả định, không có thật như kỳ lân, người khổng lồ, người bất tử, người tí hon, người kháng ung thư, lợn bay, cây biết hát, trái cây biết nói và kiến có thể quang hợp.
Nhưng trong không gian DNA vô tận ấy, những trình tự có ý nghĩa - có thể tạo nên sinh vật sống chỉ chiếm một phần rất nhỏ, như những hòn đảo hiếm hoi giữa đại dương bao la của các trình tự vô nghĩa. Muốn tìm ra chúng, các nhà khoa học phải lần mò qua vô số trình tự không có chức năng sinh học - những tổ hợp DNA chỉ tạo ra các cấu trúc bất thường hoặc những sinh vật không thể phát triển hoàn chỉnh.
Ngoài ra, phần lớn các trình tự trong Thư viện Babel sinh học chỉ là những chuỗi DNA lặp lại hoặc không tạo ra ý nghĩa sinh học nào. Vì vậy, hành trình khám phá thư viện này phần nhiều sẽ rất đơn điệu: hết trình tự vô nghĩa này đến trình tự vô nghĩa khác. Những trình tự có thể tạo nên sự sống hoặc thực hiện một chức năng sinh học hữu ích mới chính là ngoại lệ hiếm hoi, gần như kỳ diệu.
Tiến hóa Darwin, thông qua chọn lọc tự nhiên, chính là cơ chế mà tự nhiên dùng để khám phá một phần nhỏ trong Thư viện Babel sinh học. Qua hàng tỷ năm, quá trình này đã giúp sự sống hình thành và phát triển từ những trình tự di truyền có khả năng duy trì sự sống. Mỗi khi một trình tự xuất hiện và được truyền qua các thế hệ, nó lại trở thành một phần của lịch sử tiến hóa. Toàn bộ lịch sử sự sống trên Trái Đất, từ những loài đã tuyệt chủng đến những loài còn tồn tại ngày nay, chính là di sản phong phú và kỳ diệu của quá trình tiến hóa thông qua chọn lọc tự nhiên.
Tuy nhiên, có một khác biệt căn bản giữa những cấu trúc sinh học do con người tạo ra bằng công nghệ tổng hợp DNA và sự sống hình thành trong tự nhiên. Sản phẩm của con người thường được thiết kế có chủ đích, dựa trên một mục tiêu đã xác định. Ngược lại, sự phức tạp của sinh giới, dù trông như thể được thiết kế từ trước, lại hình thành qua quá trình tiến hóa không có mục tiêu định sẵn và không thể dự đoán kết quả. Quá trình này diễn ra thông qua các biến dị di truyền, trong đó có những đột biến ngẫu nhiên, và sự chọn lọc của môi trường qua nhiều thế hệ.
Lấy ví dụ, vụ va chạm với tiểu hành tinh Chicxulub cách đây khoảng 66 triệu năm đã gây ra cuộc tuyệt chủng hàng loạt, xóa sổ khoảng 75% số loài trên Trái Đất. Tiểu hành tinh có đường kính hơn 10 km này đâm xuống khu vực bán đảo Yucatán ngày nay, giải phóng lượng năng lượng tương đương 10.000 lần kho vũ khí hạt nhân của thế giới ngày nay và đưa Trái Đất vào một giai đoạn lạnh tối tăm, lạnh lẽo kéo dài do bụi và các hạt vật chất che khuất ánh sáng Mặt Trời. Nếu không có biến cố ngẫu nhiên ấy, lịch sử tiến hóa sau đó có thể đã diễn ra rất khác, và loài người có lẽ cũng không xuất hiện như ngày nay.
Thuần hóa cây trồng vật nuôi hay những viên gạch đầu tiên của công nghệ sinh học
Vượt lên trên những đột biến di truyền ngẫu nhiên, từ rất lâu con người đã biết chọn những cây trồng và vật nuôi có đặc tính mong muốn để nhân giống. Ngay từ thời kỳ đồ đá mới, những người nông dân đầu tiên đã bắt đầu thuần hóa các loài hoang dã ở nhiều nơi trên thế giới. Qua nhiều thế hệ, việc giữ lại những cá thể có đặc điểm hữu ích đã làm thay đổi cây trồng và vật nuôi, đồng thời mở rộng những khả năng mà con người có thể khai thác từ hệ gen của chúng. Dù chưa hiểu về gen hay DNA, những người nông dân ấy đã đặt những viên gạch đầu tiên cho quá trình cải biến sự sống, mở đường cho công nghệ sinh học hiện đại.
Một trong những thành tựu vĩ đại nhất của việc chọn giống thời kỳ đồ đá mới là quá trình thuần hóa ngô, bắt đầu khoảng 10.000 năm trước tại lưu vực sông Balsas, Mexico. Từ một loài cỏ hoang có tên teosinte, với những hạt nhỏ và cứng, người nông dân đã dần tạo ra cây ngô qua nhiều thế hệ chọn lọc. Đến khi người châu Âu đặt chân tới châu Mỹ vào cuối thế kỷ 15, ngô đã trở thành cây lương thực quan trọng trên khắp lục địa này. Ngày nay, ngô cung cấp khoảng 1/5 tổng lượng calo con người tiêu thụ mỗi năm.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy ngô tiến hóa từ cỏ teosinte chủ yếu nhờ những thay đổi nhỏ trong DNA, đặc biệt ở các gen điều hòa. Có thể hình dung những gen này như những chiếc công tắc, kiểm soát thời điểm và mức độ hoạt động của các gen khác trong quá trình phát triển. Chỉ cần thay đổi cách những chiếc công tắc đó hoạt động, hình dáng và đặc điểm của cây cũng có thể biến đổi đáng kể. Ở cỏ teosinte, những thay đổi di truyền tích lũy qua nhiều thế hệ đã làm thay đổi cấu trúc của cây và hạt, góp phần tạo nên bắp ngô với nhiều hàng hạt lớn, không còn nằm riêng trong lớp vỏ cứng như trước. Quá trình này còn có sự đóng góp của việc lai tạo giữa các giống. Khoảng 6.000 năm trước, ngô vẫn chưa được thuần hóa hoàn toàn. Khi lan đến vùng cao nguyên Mexico, việc lai tạo giống ngô có nguồn gốc từ lưu vực sông Balsas với các giống ngô ở địa phương đã bổ sung những biến dị di truyền mới, giúp ngô có thêm các đặc điểm cần thiết để dần biến đổi thành cây lương thực quen thuộc ngày nay.
Ảnh: Pexels
Đến thời Victoria, việc lai tạo giống đã trở thành một thú vui được giới thượng lưu Anh đặc biệt ưa chuộng. Bị hấp dẫn bởi khả năng dùng chọn lọc nhân tạo để tạo ra những đặc điểm mong muốn, họ tìm cách thay đổi hình dáng và đặc tính của các giống chó. Ngay cả Nữ hoàng Victoria cũng nuôi một chú chó cảnh King Charles Spaniel tên là Dash. Tuy nhiên, việc chạy theo những đặc điểm ngoại hình kỳ dị đôi khi phải trả giá bằng sức khỏe của vật nuôi. Chẳng hạn, chó đốm Dalmatian có bộ lông đốm đặc trưng nhưng cũng mang những biến thể di truyền khiến chúng dễ mắc các vấn đề nghiêm trọng về đường tiết niệu.
Chọn giống là một cỗ máy không hoàn hảo. Con người có thể thúc đẩy những đặc điểm mong muốn bằng cách chọn và nhân giống các cá thể phù hợp, nhưng quá trình này phụ thuộc vào những biến dị di truyền sẵn có và diễn ra qua nhiều thế hệ. Cũng không thể biết trước đầy đủ những đặc điểm nào sẽ xuất hiện hay kết quả cuối cùng sẽ ra sao. Muốn khám phá những khả năng xa hơn trong Thư viện Babel sinh học, con người cần những công cụ mạnh hơn.
Một bước nhảy vọt như vậy đã xảy ra vào năm 1927, khi nhà di truyền học Hermann Joseph Muller kinh động công chúng Berlin với thí nghiệm chiếu tia X liều cao vào ruồi giấm. Kết quả cho thấy tia X làm cho tần suất đột biến ở ruồi giấm tăng lên khoảng 100 lần so với bình thường. Khác với phương pháp chọn giống truyền thống, vốn chủ yếu lựa chọn và nhân giống những cá thể mang biến dị có sẵn, Muller có thể chủ động gây ra đột biến bằng cách chiếu xạ. Đáng chú ý, một số đột biến này được truyền từ thế hệ ruồi bố mẹ sang đời con. Điều đó chứng tỏ đã có những thay đổi xảy ra trong vật liệu di truyền và có thể được lưu giữ qua các thế hệ.
Phát hiện này đem lại cho Muller giải Nobel Y Sinh năm 1946. Tuy nhiên, dù đã có thể chủ động tạo ra những đột biến mới, phương pháp của Muller vẫn bị giới hạn bởi hệ gen vốn có của sinh vật. Nói cách khác, ông có thể tạo ra những thay đổi từ vật liệu di truyền sẵn có, nhưng chưa thể tự do tạo ra một trình tự DNA hoàn toàn mới theo ý muốn.
Chín năm sau, giới hạn này mới được phá bỏ. Năm 1955, nhà hóa sinh người Scotland Alexander Todd cùng đồng nghiệp A. M. Michelson lần đầu tiên tổng hợp DNA bằng phương pháp hóa học (dùng các phản ứng hóa học để nối những đơn vị cấu tạo nhỏ của DNA lại với nhau). Sản phẩm của họ chỉ dài hai nucleotide, ngắn hơn rất nhiều so với hệ gen nhỏ nhất. Tuy vậy, thí nghiệm đã chứng minh rằng con người có thể tạo ra một đoạn DNA với trình tự được xác định trước, thay vì chỉ thay đổi vật liệu di truyền có sẵn. Quan trọng nhất, không thể phân biệt DNA tổng hợp với DNA tự nhiên.
Khả năng tổng hợp DNA bằng phương pháp hóa học mở ra một hướng đi mang tính cách mạng. Thay vì chỉ biến đổi vật liệu di truyền có sẵn trong tự nhiên, con người bắt đầu tự tạo ra những trình tự DNA theo thiết kế. Đây là bước đầu tiên trên hành trình khám phá không gian vô tận những trình tự DNA có thể có trong Thư viện Babel sinh học. Công trình của Todd đặt nền móng cho công nghệ tổng hợp hệ gen, ngày nay được hàng nghìn nhà khoa học và các công ty công nghệ sinh học tiếp tục phát triển.
Tiềm năng khám phá Thư viện Babel sinh học nhờ AI
Nói một cách hình tượng, khả năng tổng hợp DNA đã cho chúng ta cửa rộng để bước vào Thư viện Babel sinh học. Nhưng tạo ra những trình tự DNA mới không thôi thì chưa đủ. Muốn phát hiện những trình tự có ích giữa vô số khả năng, chúng ta còn cần một tấm bản đồ chỉ dẫn đường đi. Nếu không hiểu gì về cấu trúc của thư viện rộng lớn này, việc tìm ra một trình tự DNA có ý nghĩa chẳng khác nào mò kim đáy biển.
Trong cuốn Chuyến du hành vòng quanh thế giới đầu tiên, xuất bản năm 1524, nhà thám hiểm người Ý Antonio Pigafetta ghi lại hành trình vòng quanh thế giới kéo dài ba năm của mình cùng đoàn thám hiểm Tây Ban Nha do Ferdinand Magellan dẫn đầu. Trong số 89 người khởi hành, chỉ có 56 người trở về. Những ghi chép và bản đồ của Pigafetta giúp người đời sau hiểu rõ hơn về những vùng biển và địa lý mà trước đó ít được biết đến, từ Thái Bình Dương rộng lớn đến eo biển sau này mang tên Magellan. Thư viện Babel sinh học cũng cần một người mở đường như thế: một nhà khoa học kiên nhẫn, tỉ mỉ, từng bước lập bản đồ các vùng trình tự DNA tiềm ẩn những khả năng sinh học đáng chú ý.
Khác với địa lý hữu hạn của Trái đất, "địa hình" không gian của các trình tự DNA có thể có trong Thư viện Babel sinh học là vô hạn. Để khám phá những "địa hình" này, các nhà khoa học cần những công cụ khác hẳn la bàn, đồng hồ bấm giờ hay kính lục phân của các nhà thám hiểm ngày trước. Thay vào đó, họ cần những công cụ AI có khả năng tính toán mạnh mẽ, như AlphaFold, Boltz và ESM, giúp phân tích và dự đoán đặc tính của các phân tử sinh học. Tiếp đó là những kho dữ liệu sinh học khổng lồ, như GenBank, Human Cell Atlas, UK Biobank, VN1K và 1000 Genomes, cung cấp thông tin về gene, tế bào và sự đa dạng di truyền. Cuối cùng, các nhà khoa học cần công nghệ tổng hợp DNA để tạo ra những trình tự mới trên quy mô lớn. Công nghệ này đang được phát triển mạnh tại các phòng thí nghiệm và công ty công nghệ sinh học. Khi kết hợp, các công cụ và nguồn dữ liệu với nhau, các nhà khoa học có thể từng bước lập bản đồ không gian trình tự DNA.
Trong hành trình vòng quanh Thư viện Babel sinh học, các nhà thám hiểm ngày nay không phải lên tàu vượt đại dương mà chỉ cần ngồi trước màn hình máy tính, sử dụng các công cụ AI để tìm kiếm những vùng trình tự DNA có tiềm năng mang lại những khám phá mới. Những vùng này không phải là địa điểm hữu hình như tháp Eiffel hay Quảng trường Thời đại, nhưng chúng vẫn tồn tại theo cách riêng: trong không gian rộng lớn của các trình tự DNA có thể có, mỗi trình tự giống như một "bất động sản" thông tin hay một địa điểm mà ta có thể khảo sát, phân tích và xác định đặc tính ngay trên máy tính, chứ không nhất thiết phải tạo ra nó trong phòng thí nghiệm hay trực tiếp quan sát nó.
Phong Du lược dịch
* Bài viết được trích một phần từ cuốn sách "Về Tương lai của các loài" (On the Future of Species) của Adrian Woolfson, nhà đồng sáng lập Genyro, công ty công nghệ sinh học có trụ sở tại California, chuyên về thiết kế các hệ gen tổng hợp.
Xem bản tiếng Anh tại: https://thereader.mitpress.mit.edu/biological-babel-why-dna-is-humanitys-infinite-atlas/