SpudCell là hệ thống tế bào tổng hợp đầu tiên được xây dựng từ các thành phần "không sống" để hoàn thành một chu kỳ tế bào đầy đủ.

Tế bào nhân tạo mang tên SpudCell được đánh giá là khác biệt so với các mô hình trước đây khi không chỉ mô phỏng một chức năng sinh học riêng lẻ mà tích hợp nhiều đặc tính cốt lõi của sự sống trong cùng một hệ thống, từ sinh trưởng, nhân đôi DNA, hấp thụ chất dinh dưỡng đến phân chia và truyền vật chất di truyền cho thế hệ kế tiếp.

Dẫn dắt bởi Phó Giáo sư Kate Adamala và Phó Giáo sư Aaron Engelhart, công trình nhằm chứng minh rằng những hoạt động nền tảng của tế bào sống có thể được tái tạo bằng các quá trình hóa học, thay vì phải dựa vào sinh vật tự nhiên.

Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ này trong tương lai có thể mở đường cho việc sản xuất thuốc, nhiên liệu, vật liệu tiên tiến và nhiều sản phẩm sinh học khác mà các phương pháp công nghiệp truyền thống khó hoặc không thể tạo ra.

SpudCell được cấu tạo từ các liposome - những túi cầu siêu nhỏ chứa nước được bao bọc bởi màng lipid, kết hợp với DNA nhân tạo mang các hướng dẫn di truyền cần thiết. Các tế bào này phát triển bằng cách dung hợp với những liposome cung cấp enzyme, ribosome và các phân tử cần thiết để tổng hợp protein. Sau khi lớn lên, chúng sẽ sao chép bộ gen rồi phân chia thành các tế bào mới.

Khác với tế bào tự nhiên sử dụng khung xương tế bào để hỗ trợ quá trình phân chia, SpudCell tách đôi nhờ các protein tích tụ trên màng tế bào, tạo áp lực cơ học khiến màng tự phân tách.

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu còn quan sát thấy dấu hiệu của quá trình chọn lọc tự nhiên trong hệ thống nhân tạo này. Khi bổ sung một biến đổi di truyền giúp tăng khả năng tạo protein dung hợp, các tế bào biến đổi phát triển nhanh hơn và tạo ra nhiều thế hệ hơn. Chỉ sau 5 thế hệ, chúng đã chiếm ưu thế so với quần thể ban đầu, đặc biệt trong điều kiện nguồn dinh dưỡng hạn chế.

"Đây có lẽ là dự án thú vị nhất mà tôi từng tham gia", bà Kate Adamala cho biết.

“Chúng tôi đã tái tạo bằng hóa học toàn bộ các hành vi cơ bản của một tế bào sống, cho thấy các quá trình như sinh trưởng và nhân đôi không cần đến bất kỳ "yếu tố thần bí" nào mà có thể được xây dựng từ những nguyên lý hóa học”, bà nói.

Hình ảnh hiển vi huỳnh quang của SpudCell đang trong quá trình phân chia.

Nhóm nghiên cứu cho biết, bộ gen của SpudCell chỉ dài khoảng 90 kilobase, nhỏ hơn ngưỡng tối thiểu mà nhiều nhà sinh học trước đây cho rằng cần thiết để duy trì sự sống. Thay vì sử dụng một nhiễm sắc thể duy nhất, thông tin di truyền của SpudCell được chia thành 7 plasmid DNA riêng biệt, giúp từng chức năng của tế bào có thể được lập trình và điều chỉnh độc lập.

Nhóm nghiên cứu kỳ vọng các thế hệ SpudCell trong tương lai sẽ trở thành nền tảng lập trình cho kỹ thuật sinh học. Thay vì chỉnh sửa vi khuẩn hoặc nấm men sẵn có, các nhà khoa học có thể thiết kế những tế bào nhân tạo hoàn toàn mới, phục vụ các mục đích cụ thể trong y học, công nghiệp hoặc sản xuất vật liệu.

Để thúc đẩy hướng nghiên cứu này, bà Kate Adamala cùng các cộng sự đã thành lập tổ chức nghiên cứu phi lợi nhuận Biotic, hướng tới xây dựng các tiêu chuẩn và hạ tầng chung cho lĩnh vực kỹ thuật tế bào nhân tạo. Theo bà, thành tựu hiện tại mới chỉ là bước khởi đầu và việc hiện thực hóa tiềm năng của công nghệ sẽ đòi hỏi sự hợp tác quốc tế lâu dài.

Dù vậy, các nhà khoa học cũng thừa nhận SpudCell vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu. Trước khi có thể ứng dụng ngoài phòng thí nghiệm, các phiên bản tương lai cần sở hữu bộ gen ổn định hơn, bổ sung nhiều hệ thống phân tử phức tạp và được phát triển theo các quy trình kỹ thuật tiêu chuẩn.