Những bông hoa tuyệt chủng: Mùi hương thế nào ?

Từ những mảnh gene còn sót lại, “đôi đũa thần” của các kỹ thuật tiên tiến đã đưa các bông hoa tuyệt chủng trở lại với thế giới thực, qua đó đem lại cho mọi người cơ hội trải nghiệm mùi hương tưởng chừng không thể lặp lại.

Vào năm 1912, trên cánh đồng đầy rẫy dung nham cổ đại của Haleakalā trên đảo Hawaii, Maui, một cái cây đơn độc đang dần thoi thóp. Cao gần 4,6 mét, lớp vỏ cây xù xì với lớp địa y bao quanh, bông hoa cuối cùng đã rụng. Người Hawaii gọi nó là dâm bụt núi hay kuahiwi. Không giống như những loài dâm bụt thông thường sống trong những thung lũng ẩm ướt, loài dâm bụt núi này thường chỉ sống được trên các vùng đất dung nham khô ráo, thoát nước tốt. Bông hoa dâm bụt núi cũng tiến hóa theo cách kỳ lạ: chỉ có hai trong số năm cánh hoa gập lại, tạo thành một cái ống cong vừa đủ cho những con chim hút mật ở Maui với chiếc mỏ cong chúi mũi vào đó và trở thành những kẻ thụ phấn ưa thích của nó.

Nhưng cái cây này nhiều năm không tạo ra thêm được thế hệ con cháu nào. Phần lớn các loài chim hút mật đã biến mất từ cuối thế kỷ 19. Các cánh đồng dung nham ở Haleakalā đã chuyển thành nơi chăn nuôi gia súc. Bò gặm vỏ cây, chuột ăn hạt. Tất cả diễn ra như vậy cho đến khi nhà thực vật học Gerrit Wilder phát hiện ra cây dâm bụt núi vào năm 1910 trong một chuyến thám hiểm (sau đó cây được đặt theo tên ông Hibiscadelphus wilderianus). Đây là cây duy nhất của loài này được tìm thấy. Trở lại sau một thời gian, ông bỏ túi bông hoa cuối cùng với vài nhánh cành lá.

Không lâu sau đó, cây bị gia súc và chuột hành hạ đến chiếc lá cuối cùng. Hibiscadelphus wilderianus chính thức bị tuyệt chủng. Và chỉ còn tồn tại trong bộ sưu tập được lưu trữ tại Đại học Harvard.

Tình hình chỉ thực sự thay đổi khi một nhóm nghiên cứu liên ngành lên kế hoạch phục hồi ba loại hoa đã tuyệt chủng trong thế kỷ 20. Ý tưởng đưa nhóm kỹ sư di truyền của Công ty Công nghệ sinh học Ginkgo Bioworks và đối tác thực hiện dự án “Resurrecting the Sublime” (Phục hồi cái Siêu phàm), bắt đầu từ năm 2016. Họ tái tạo vật liệu di truyền đã làm nên mùi hương đặc biệt của những bông hoa, rồi sau đó đặt nó vào một hình thức sống khác – các tế bào nấm men – và qua đó, khứu giác con người bắt đầu cảm nhận được làn hương từ loài cây từng sống cách đây cả thế kỷ. Họ không có những bông hoa, không có lớp cánh mềm mại nhưng lại có chuỗi trình tự DNA của cây đủ sức “nói” với các tế bào, khuấy tung các phân tử lên để chúng chiếm lĩnh khứu giác và gửi các tín hiệu lên não. Đó là tín hiệu xác thực nhất để lớp vỏ cứng tuyệt chủng bắt đầu trở nên mềm đi. Và mở ra một câu hỏi kỳ lạ: chúng ta có thể đủ khả năng tái thúc đẩy các gene để đưa những bông hoa đã chết trở lại với cuộc đời?

Mùi của sự sống

Dự án bắt đầu vào tại hội nghị thường niên 2014 của Liên đoàn quốc tế thương mại Tinh dầu và hương vị ở Rome, nơi Jason Kelly, người đồng sáng lập của Ginkgo Bioworks, tìm kiếm ý tưởng mới. Kelly và những nhà sáng lập Ginkgo Bioworks đều tốt nghiệp từ Viện Công nghệ Massachusetts vào năm 2008, thuộc nhóm những tiến sĩ đầu tiên về sinh học tổng hợp. Nhiều khách hàng của công ty thuộc ngành công nghiệp nước hoa, nơi nguyên liệu thô vô cùng đắt đỏ. Bí mật của nước hoa nằm trong những phân tử tạo mùi hương do các enzyme trong tế bào thực vật tạo ra, kế hoạch vận hành các enzyme này được mã hóa trong DNA bởi một gene cụ thể. Giống như phần mềm, mã này có thể chạy trên bất kỳ nền tảng tương thích nào, và sự sống là một nền tảng bất khả tri bởi tất cả sự sống đều sử dụng bốn chữ cái DNA – bốn cặp base được dán nhãn A, T, C và G – nấm men và các loài cây đều chạy trên nhiều gene giống nhau. Bằng việc đặt các gene tạo mùi và những chủng nấm men được thiết kế một cách đặc biệt, Ginkgo từng ủ được những phân tử hương trong một cái bình cao cổ giống như cách người ta vẫn làm ra bia.

Tại hội thảo, Kelly gặp cố vấn của hãng nước hoa Thụy Sĩ Givaudan, và được biết về chương trình Chuyến kiếm tìm mùi hương của họ: khám phá những khu rừng mưa của thế giới để tìm những bông hoa hiếm có mùi hương đặc biệt. Kelly bị kích thích bởi nếu Ginkgo có được những mẫu trích xuất từ các loài cây ấy, họ có thể tạo ra các chuỗi trình tự gene và tổng hợp các enzyme tạo nên mùi hương. Một ý tưởng điên rồ. Đây có thể là bước đầu tiên trong quá trình đảo ngược lại một hành trình sinh học khổng lồ. “Trái đất mất ba tỉ năm để thử nghiệm các chuỗi DNA khác nhau thông qua cái mà chúng ta gọi là tiến hóa”, Kelly nói, “đó là những gì chúng ta có hôm nay. Nhưng theo cách này, sự mất mát khá lớn vì những nguyên nhân ngẫu nhiên – hiện tượng thời tiết chẳng hạn. Với một kỹ sư sinh học, thật đau lòng khi tưởng tượng ra sự mất mát”.

Dâm bụt núi đã trải qua hành trình từ túi của Gerrit Wilder tới Phòng thực vật ở trường Đại học Hawaii, nơi nó được làm khô và ép lại rồi cuối cùng chuyển đến Harvard Herbaria. Phải hàng thập kỷ sau Agapakis mới mở các ngăn tủ. Sau đó các gene dâm bụt núi được hóa lỏng ở Santa Cruz, số hóa ở Boston, và sau đó các kỹ thuật tiếp theo mới đưa nó xuất hiện trở lại theo một dạng thức khác. Các gene đã phải vượt qua không gian và thời gian để trở lại với thế giới thực.

Kế hoạch của Kelly giống như kiểu Công viên kỷ Jura vậy. Khi các gene chỉ dẫn cho các tế bào nấm men tạo ra những phân tử mùi hương, có thể cho lên men chúng để tạo ra một thứ mà ông có thể gọi là Extinction No 5 (Sự tuyệt chủng số 5).

Đó là một cú sút từ xa vào khung thành. Dẫu cho Ginkgo có thể tái tạo được các gene cổ, những gene này có thể không hoạt động trong nấm men mới. Nhưng may mắn là dự án này được đặt dưới tay Christina Agapakis, giám đốc sáng tạo của Ginkgo, một tiến sĩ sinh học tổng hợp tại ĐH Harvard chuyên tối ưu vi khuẩn để tạo ra nhiên liệu hydro. Cô thường bị hút vào các đường biên giữa tự nhiên và phi tự nhiên, mở ra các cuộc đối thoại thú vị về sinh vật được chỉnh sửa gene. Đầu tiên, cô đặt tên cho dự án là “Dự án Kỷ Phấn trắng”, liên hệ với các chuyên gia về Kỷ Băng hà và biết rằng không thể giải trình tự một hệ gene đầy đủ từ một vài mảnh nhỏ của cây được khai quật từ lớp băng vĩnh cửu. Kỷ Băng hà đã khép lại mọi thứ.

Trước khi bỏ cuộc, Agapakis đã thử làm một việc: tra thử cụm từ “giải trình tự DNA thực vật bị tuyệt chủng”, Kết quả, cô tìm thấy một bài báo trên tạp chí Biological Journal of the Linnean Society on museomics có đề cập đến một kỹ thuật mới để tách chiết DNA từ các loại động thực vật được lưu giữ trong bảo tàng. Vì vậy không cần đến lớp băng vĩnh cửu nữa, giờ cô cần một phòng giữ mẫu thực vật. Và Agapakis biết cần đến nơi nào.

Cuộc kiếm tìm DNA

Harvard Herbaria, được thành lập vào năm 1842, các căn phòng của nó chất đầy những ngăn tủ toàn mùi formaldehyde giữ hơn năm triệu mẫu vật. Khi Agapakis nêu kế hoạch của mình vào năm 2016, những người ở đây rất thận trọng. Sẽ làm gì với cái cây của họ? Các mẫu thực vật ở đây đâu phải là thương vụ làm ăn cho các công ty. Bên cạnh đó, họ không có bộ dữ liệu có thể tìm kiếm được nên cũng không biết rằng mình có trong tay những loài đã tuyệt chủng hay không.

Phải mất hàng tháng để đến một thỏa thuận. Agapakis đề xuất Harvard Herbaria cung cấp hệ gene của bất kỳ loài tuyệt chủng nào mà mình tự tìm được, sau đó không được phép lấy mẫu lớn quá một cái móng tay nhỏ xíu.

Agapakis và Dawn Thompson, người phụ trách Giải trình tự gene thế hệ mới của Ginkgo, in ra danh sách Đỏ của IUCN gồm 116 loài cây đã tuyệt chủng và bắt đầu cuộc kiếm tìm. Bộ sưu tập này đầu tiên thu hẹp ở yếu tố họ thực vật, khu vực địa lý, qua đó tìm được lối đi tưởng chừng kéo dài vô tận giữa các thư mục thực vật. Những cái ngăn dường như chứa đầy mọi thứ, trừ những loại cây mà họ đang tìm kiếm. Sau đó, ở phòng Hawaii của Harvard Herbaria, Agapakis lật từng tập tài liệu, mở một cuốn đề “Hoa của quần đảo Hawaii”, rồi nhìn xuống ba nhánh cây dài ôm một mảng lá rộng tuyệt đẹp và một nụ hoa mỏng manh. Thẻ đính kèm ghi “Hibiscadelphus wilderianus”. Agapakis cảm thấy như điện giật. Đó là cái cây đã tuyệt chủng của Wilder, ngay trước mặt mình.

Cuối cùng, họ tìm thấy 20 cây trong danh sách thực vật, 14 trong số đó không đủ vật liệu dự trữ.

Những việc sau đó là phần khó nhất. DNA bắt đầu phân rã sau khi một sinh vật tắt hẳn sự sống. Ginkgo sẽ phải tìm các mũi kim DNA trong cả đống lộn xộn cellulose. Nhưng thậm chí lúc này mọi thứ cũng chưa ổn. Bất chấp thiết bị giải trình tự hiện đại, họ vẫn phải vật lộn với việc trích xuất DNA từ mẫu vật. Các mẫu vật cổ không phải bao giờ cũng đem lại kết quả như mong muốn.

Với áp lực ngày một tăng, Agapakis và Thompson trao đổi với nhau: nếu tiếp tục, họ sẽ phải thử tất cả các mẫu thực vật có trong tay, sau đó không còn bất kỳ cơ hội nào nữa. Họ quyết định phải tìm ra cách hiệu quả hơn.

Nhiều tháng sau, trong một hội thảo, Kelly gặp Beth Shapiro, đồng giám đốc Phòng thí nghiệm Hệ gene cổ đại ở ĐH California, Santa Cruz, nơi cần phải tới nếu muốn phục dựng một con voi ma mút hay một con bồ câu viễn khách đã tuyệt chủng. Năm 2016, phòng thí nghiệm này có khả năng nhận diện được 0,01 đến 0,05% DNA ma mút tồn tại trong trầm tích của cái hồ 5.650 năm tuổi ở eo biển Bering. Hãy gửi những bông hoa của anh đến đây, Shapiro nói.

Phòng thí nghiệm tán bột mẫu vật, ứng dụng nhiều bước tiếp theo, trong đó nhiều ứng dụng sáng tạo về hóa học liên kết các mảnh DNA. Khi nhận được các mẫu trở lại, Thompson chạy các mẫu trên máy giải trình tự và bị kích thích khi nhìn thấy vô số đoạn đọc ngắn: hàng triệu mảnh mã hóa di truyền, mỗi mảnh chỉ gồm 40 hoặc 50 ký tự.

Tái cấu trúc dự án

Nhưng không phải bất cứ mảnh nào cũng thuộc về một loại gene tạo mùi hương, và nếu có thì phải đặt chúng cạnh nhau như thế nào? Ginkgo tìm kiếm các gene, dài khoảng 1.700 chữ cái, tạo ra các enzyme được gọi là sesquiterpene synthases (SQSs); các enzyme này khâu các phân tử tạo mùi hương hoa lại với nhau. Một bông hoa có thể gồm rất nhiều gene. Nếu các nhà nghiên cứu của Ginkgo có trong tay toàn bộ hệ gene của từng cây, họ có thể chia thành các đoạn nhỏ chừng 50 chữ cái rồi ghép lại với nhau một cách ngẫu nhiên và tái tập hợp theo cách đúng.

Nếu có trong tay các bản sao của cuốn sách nguyên bản – toàn bộ hệ gene của từng cây, họ sẽ sử dụng một khuôn mẫu – một vài chương sách để có thể xác định được nơi những mảnh ghép cần được sắp xếp. Nhưng một vài loài mới được tiến hóa từ những loài cũ, thay đổi hoặc tái sắp xếp các gene nguyên bản. Vì vậy phần lớn các gene SQS trong các loài hiện đại đều chia sẻ rất nhiều mã hóa DNA với các tổ tiên gần. Jue Wang, một nhà sinh học tính toán làm việc tại Ginkgo, nhận ra những enzyme hiện đại có thể đóng vai trò như khuôn mẫu, như thể tái cấu trúc lại phiên bản Kinh Thánh bị mất bằng việc sử dụng hướng dẫn từ các phiên bản hiện đại.

Từng bước một, Wang xây dựng các gene trên bộ khung hiện đại, phụ thuộc vào những chồng lấn trình tự được sắp xếp. Anh lấp đầy bất kỳ ký tự DNA bị mất từ khuôn mẫu hiện đại. Cuối cùng, Wang đã có thể tái cấu trúc 2.738 phiên bản khác nhau của các gene từ những bông hoa tuyệt chủng. Dĩ nhiên cũng có một vài lỗi, có thể lỗi này ảnh hưởng đến chức năng của gene? Đôi khi một lỗi trong DNA có thể ảnh hưởng đến một gene theo cách vô cùng thảm khốc, ví dụ như gây ra bệnh hồng cầu hình liềm. Nhưng thông thường những thay đổi nhỏ không ảnh hưởng đến sản phẩm cuối cùng. Trên thực tế, thường thường các gene với những hình thức khác biệt nhau cũng vẫn sẽ có chức năng tương tự nhau. Wang hy vọng một số phiên bản sẽ hoạt động để hướng dẫn cho một tế bào thực.

Để điều đó diễn ra, chủ yếu nằm trong máy tính của Wang, phải chuyển nó thành DNA thực, trên một máy in 3D với các nguyên liệu As, Cs, Gs và Ts được liên kết với nhau về mặt hóa học thành chuỗi xoắn kép cổ điển. Đó là cách tổng hợp DNA, nhưng tạo ra DNA thật sự.

Sau đó phụ thuộc vào nấm men, thử xem nó có chấp nhận DNA mới và tạo ra các phân tử theo hướng dẫn của vật liệu di truyền không. Scott Marr, nhà vi sinh vật phân tử ở Ginkgo, theo dõi mẫu thử trong máy khối phổ, một dạng “mũi” nhân tạo có thể dò và nhận diện được một lượng tí xíu phân tử được tạo ra. Marr viết các chương trình để loại đi các sản phẩm chuyển hóa nấm men thông thường mà máy đọc được, chỉ giữ lại các sản phẩm SQS không phải nấm men – các sesquiterpenes tạo mùi hương.

Các mẫu chạy tưởng chừng như vô tận. Không có gì cả. Giống như một cuốn sách chứa đầy lỗi chữ, không thể đọc nổi. Nhưng sau đó có một tín hiệu khác lạ, rồi được tiếp nối. Marr bắt đầu so khớp với cơ sở dữ liệu và gửi tin tới nhóm nghiên cứu: hàng tá hợp thể khảm của bông hoa – nấm men đã sống lại. Đã ba năm kể từ ý tưởng điên rồ ban đầu, mọi người đã gần như bỏ cuộc. Giờ họ có các phân tử trong tay. Những phân tử thực sự! Tạo từ các gene không còn tồn tại trong cả một thế kỷ!

Trở lại thế giới thực

Nấm men của Ginkgo có thể đón nhận các gene từ ba cây tuyệt chủng khác nhau để tạo ra các sesquiterpenes. Dẫu lượng tạo ra quá nhỏ để có thể ngửi bằng mũi thực, họ đã có một số gợi ý xa xôi về bông hoa thực trong tự nhiên. Hai cây còn lại trong số đó là Falls-of-the-Ohio scurfpea (Orbexilum stipulatum) – một cây họ đậu mắc một lỗi khủng khiếp là chỉ sống ở một vài đảo đá nhỏ ở sông Ohio, sau đó bị tuyệt chủng vì các đập thủy điện trong những năm 1920 – có mùi giống hồ tiêu, giấm balsamic; cây Wynberg conebush (Leucadendron grandiflorum) – một bông hoa cánh trắng nhụy vàng sống ở các đồi đá granite ở Cape Town cho đến năm 1806, biến mất mãi mãi khi Nam Phi mở rộng đồn điền trồng nho, có mùi hương khá ám ảnh kết hợp nhài, sả chanh, gai dầu, nghệ, gừng, hoa bia.

Và dĩ nhiên cả hoa dâm bụt núi mà Gerrit Wilder từng ghi lại là những bông hoa cuối cùng đã nở ở Haleakalā. Dâm bụt núi đã trải qua hành trình từ túi của Gerrit Wilder tới Phòng thực vật ở trường Đại học Hawaii, nơi nó được làm khô và ép lại rồi cuối cùng chuyển đến Harvard Herbaria. Phải hàng thập kỷ sau Agapakis mới mở các ngăn tủ. Sau đó các gene dâm bụt núi được hóa lỏng ở Santa Cruz, số hóa ở Boston, và sau đó các kỹ thuật tiếp theo mới đưa nó xuất hiện trở lại theo một dạng thức khác. Các gene đã phải vượt qua không gian và thời gian để trở lại với thế giới thực.

Và đây là thời gian để ngửi hương của nó. Cả nhóm đều không tưởng tượng là cuối cùng họ có thể làm được điều này. “Mùi hương đầu tiên được tái cấu trúc!”, Kelly loan báo. Phản ứng của Agapakis gần như bản năng. “Tôi cảm thấy sững sờ”. Một số mẫu phảng phất mùi chanh hoặc húng tây, mùi lõi gỗ của cây bách xù. “Tôi cảm thấy sự nhẹ nhõm”, Agapakis nói, mắt nhắm lại như đang hít vào mũi làn hương. “Tôi cảm thấy sự thanh tao”.

Mắt Kelly nheo lại: “Đó là phép màu kỳ diệu. Tôi ao ước là mình nhận biết được sự tưởng tượng của mỗi người khi nghĩ về những làn hương mình đã mất mát.”

Mùi hương đóng vai trò quan trọng, Megan Palmer, nhà kỹ thuật sinh học ĐH Stanford, một thành viên của Revive & Restore, một tổ chức phi lợi nhuận ủng hộ các dự án tái tạo chim bồ câu viễn khách và voi ma mút, nói. “Chúng ta không thể biết chính xác những bông hoa này có mùi gì nhưng chúng ta có thể có được các gợi ý từ các phân tử mà chúng ta tái tạo theo những loài mà chúng ta thấy trong thế giới hôm nay.” Với những tiên tiến khoa học, cô nói thêm “các kỹ thuật có thể giúp chúng ta có những dự đoán thông minh hơn về các loài đã tuyệt chủng. Chúng thậm chí còn cho phép chúng ta thực hiện các dự án đầy tham vọng để phục hồi các chức năng của chúng và có thể là các loài nữa”.

Khi bầu không khí thấm đẫm mùi hương, căn phòng của Ginkgo giống như một ốc đảo nhiệt đới. Nó khiến mọi người có thể dễ dàng tưởng tượng ra cánh đồng nham thạch như thiêu đốt dưới ánh nắng Mặt trời của Haleakalā trong quá khứ, một khu rừng dâm bụt núi xung quanh, những con chim hút mật tỏa sáng bay lượn từ bông hoa này sang bông hoa khác. Thế giới sẽ không bao giờ trở lại như vậy được nữa, nhưng một số trong vô số gene từ Hawaii thủơ ban sơ và những vùng đất đã mất có thể làm được điều đó. Chúng đang muốn phá vỡ lớp màng tuyệt chủng bao quanh mình, thăm dò và khao khát bất cứ cơ hội nào để có thể trở lại với sự sống và thế giới thực. □

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn:

https://www.scientificamerican.com/article/fragrant-genes-of-extinct-flowers-have-been-brought-back-to-life/

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/extinct-plants-resurrecting-sublime-synthetic-biology-180978659/