Nghiên cứu “in DNA trên máy bàn” của Telesis Bio có thể giúp ngăn ngừa đại dịch kế tiếp

Boston Consulting Group dự đoán quy mô của nền kinh tế sinh học toàn cầu sẽ đạt đến 30.000 tỉ USD vào cuối thập niên này. Một trong những nhân tố thúc đẩy nền kinh tế này phát triển nhanh chóng là giúp giảm chi phí lẫn thời gian quay vòng của giải trình tự DNA.

Đọc DNA cho phép chúng ta giải mã bộ gene của con người cũng như mở đường phát triển y học cá nhân hóa. Điều này có thể tạo điều kiện để việc thiết kế vaccine COVID-19 nhanh chóng trong thời gian ngắn kỷ lục đồng thời giúp chúng tôi theo dõi sự xuất hiện của các biến thể mới. Ngoài ra, hiện giờ chúng ta đang chứng kiến cải tiến mang tính đột phá khác trong sinh học – khả năng viết DNA theo nhu cầu.

Mọi thứ nền kinh tế sinh học được xây dựng dựa trên việc sử dụng DNA, mã hóa gene cho enzym, protein cũng như nhiều sinh vật sống được sử dụng trong công nghệ sinh học. Bốn chữ cái đó – A, C, T và G – là mã nguồn cho mọi dự án, nhiên liệu sinh học, vaccine và phương pháp trị liệu hoặc thịt nhân tạo. Không có DNA thì không có công nghệ sinh học.

Nhưng cách thức hoạt động của mô hình kinh doanh hiện tại là bạn phải đặt hàng các chuỗi DNA từ công ty bên thứ ba như Twist Bioscience, IDT, Eurofins Genomics hoặc GenScript. Kích thước đoạn DNA càng lớn thì thời gian tổng hợp càng lâu. Vì vậy, có thể mất từ ​​vài ngày đến vài tuần nhà nghiên cứu mới biết kết quả.

Telesis Bio (NASDAQ: DNAY) đang thay đổi điều đó. Họ muốn làm cho mọi phòng thí nghiệm có khả năng viết DNA với nền tảng tổng hợp gene tự động để trên bàn, Digital-to-biological converter™. Một nhóm nhà đổi mới sinh học tổng hợp thành lập công ty vào năm 2011 với tên gọi trước đây là Codex DNA.

CEO Todd Nelson của công ty biết một vài điều về quá trình tạo ra DNA. Sinh ra ở thành phố Park, Utah, tay trượt tuyết chuyên nghiệp từng khởi nghiệp trong lĩnh vực ngân hàng đầu tư ở Phố Wall nhưng sau đó từ bỏ cuộc đua vô nghĩa để chuyển đến San Diego, California.

Lần đầu tiên ông tham gia vào lĩnh vực kinh doanh DNA khi trở thành thành viên hội đồng quản trị của công ty Blue Heron Biotechnologies ở Seattle. Blue Heron là công ty đầu tiên cung cấp gene tổng hợp thương mại vào khoảng năm 2005-2006, tạo ra mô hình cho công ty tổng hợp DNA tồn tại đến hiện nay.

Nhiều thành viên khác trong ban điều hành Telesis Bio có trình độ lẫn kinh nghiệm cũng rất ấn tượng. Chuyên gia gene nổi tiếng Dan Gibson, giám đốc công nghệ trong công ty, dẫn dắt nhóm nhà đổi mới công nghệ. Dan đã nghỉ làm cho Craig Venter, nhà nghiên cứu đầu tiên giải trình tự bộ gene người vào năm 2001.

Phương pháp tiêu chuẩn vàng để ghép nhiều đoạn DNA ngắn hơn lại với nhau thành đoạn dài được đặt theo tên của ông – Gibson Assembly®. Dan, cùng với Craig Venter và John Gill, là những nhà khoa học đồng phát minh ra hệ thống BioXp™ – sản phẩm hàng đầu của Telesis Bio – giải pháp tổng thể để sẵn sàng ứng dụng trong quá trình tạo ra DNA và mRNA tổng hợp.

BioXp™ 3200 đã trở thành nền tảng hoàn toàn tự động đầu tiên có thể ghép đoạn DNA của vài ngàn dãy cơ sở dài gần như chỉ trong một đêm, tạo điều kiện cho phòng thí nghiệm trở thành nhà cung cấp gene cho riêng họ. Nhưng Telesis Bio không dừng lại ở đó: họ đã điều chỉnh công cụ này để mở rộng khả năng tạo ra mRNA, nhân bản các đoạn dài hơn, đồng thời tự động thực hiện nhiều nhiệm vụ sinh học tổng hợp khác.

Hệ thống mới nhất của họ, BioXp™ 9600, được gọi là “trạm sinh học tổng hợp tự động” và sẵn sàng mở rộng ra ngoài khả năng nhân bản cũng như ghép DNA đơn thuần. Với máy này, nhà khoa học sẽ có khả năng tự tổng hợp DNA ngay tại bàn mà không cần đặt hàng thuốc thử tùy chỉnh.

Cách tốt hơn để tạo DNA

Thông thường, quá trình tổng hợp DNA bắt đầu bằng việc lấy bốn chai hóa chất, mỗi chai tương ứng với một trong các chữ cái của mã di truyền và kết hợp chúng lại với nhau trong phản ứng hóa học. Quá trình tốn nhiều thời gian này được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1980 nhưng sử dụng hóa chất độc hại.

Một trong những điều Telesis Bio đang làm là thay thế quá trình tổng hợp hóa học bằng enzyme hóa học nhanh hơn cũng như lành tính hơn. Họ phát triển một hóa chất tổng hợp DNA mới được gọi là SOLA (ghép những DNA ngắn), sẽ được tích hợp vào hệ thống BioXP™ 9600 trong năm 2023.

Tổng hợp DNA bằng enzym không phải là một ý tưởng mới: các công ty khác, như Molecular Assemblies, DNA Script, Evonetix, Touchlight Genetics và Ansa, cũng đang tiến vào lĩnh vực này. Nhưng điều làm nên sự khác biệt của Telesis Bio là họ tích hợp công nghệ này trong giải pháp để bàn có thể mở rộng. Hệ thống BioXp™ 9600, hiện có sẵn cho khách hàng dược phẩm lẫn công nghệ sinh học, sẽ cho phép công ty tự cung cấp trong quá trình tổng hợp DNA và giảm đáng kể các mốc thời gian của dự án.

“Máy in DNA để bàn sẽ cho phép bạn phát triển gene mọi lúc cũng như ở bất kỳ đâu, vì vậy bạn có thể có nguồn DNA riêng và hợp tác trên toàn cầu,” CEO mường tượng. Bộ dụng cụ SOLA đầu tiên sẽ dùng để tạo ra phân tử RNA hướng dẫn tổng hợp ngắn (gRNA) dùng trong chỉnh sửa bộ gene dựa vào công nghệ CRISPR đồng thời sẽ cho phép nhà khoa học có thể phát triển gRNA kỹ thuật số đồng thời cầm trên tay ống thuốc thử này trong cùng một ngày.

Vaccine có thể được in hầu như ngay lập tức

Thị trường tổng hợp gene toàn cầu hiện được định giá 1,8 tỉ USD và ước tính sẽ mở rộng với tốc độ tăng trưởng kép hằng năm là 17,5%. Các ứng dụng của công nghệ này trải rộng trên nhiều lĩnh vực khám phá khác nhau: từ vaccine đến liệu pháp miễn dịch chính xác cho bệnh ung thư lẫn phương pháp điều trị bằng kháng thể cho đến sản phẩm thay thế thịt cũng như sản phẩm nông nghiệp tế bào bền vững.

Đối với tất cả ứng dụng này, nhưng đặc biệt vaccine cũng như phương pháp điều trị, tốc độ là điều cốt yếu. Đó là lý do tại sao có máy in DNA để bàn có thể thay đổi cuộc chơi.

“Hãy tưởng tượng một mạng lưới toàn cầu gồm những máy in để bàn này có thể ngăn chặn đại dịch tiếp theo xuất hiện bằng cách in ra vaccine mRNA nhanh chóng. Công nghệ có thể nhanh chóng hiện thực hóa cách thức này,” Todd nghĩ.

Công ty đã hợp tác với Pfizer, cho phép họ nhanh chóng sử dụng công nghệ SOLA để phát triển các loại vaccine mRNA mới phòng ngừa những bệnh mới nổi. Telesis Bio đang đặt cược vào việc đưa chiếc máy này lên bàn làm việc trong mọi phòng thí nghiệm trên toàn cầu để đẩy nhanh quá trình phát triển cũng như sử dụng nhiều loại thuốc mới.

Chống lại bệnh bằng liệu pháp gene và tế bào

Một lĩnh vực khác ứng dụng công nghệ tổng hợp DNA nhanh có thể tạo ra tác động lớn là liệu pháp gene lẫn phương pháp điều trị bằng tế bào, chẳng hạn như liệu pháp điều trị ung thư dựa trên thụ thể tế bào T (TCR). Phương pháp này sử dụng các tế bào miễn dịch biến đổi gene để tìm kiếm khối u.

TCR được thiết kế nhắm vào khối u bằng cách nhận ra dấu hiệu cụ thể làm cho tế bào ung thư khác với tế bào khỏe mạnh. Với máy BioXP™, bạn có thể tạo TCR này qua đêm. Bạn có thể tiếp cận ung thư càng nhanh thì cơ hội sống của bạn càng cao.

In DNA cũng có thể mở ra tiềm năng điều trị bệnh di truyền bằng liệu pháp gene sử dụng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR. Công nghệ này được sử dụng để chỉnh sửa bộ gene của vi khuẩn nhằm sản xuất mọi thứ từ thuốc đến vật liệu cũng như hóa chất. Hiện tại cũng có hơn 100 thử nghiệm thuốc sản xuất dựa vào chỉnh sửa gene CRISPR đang diễn ra.

Điều cần thiết để thực hiện thử nghiệm chỉnh sửa gene là RNA hướng dẫn giúp chọn ra gene đang được chỉnh sửa. Máy DBC kết hợp với bộ công cụ SOLA sẽ cho phép tổng hợp gRNA chỉ bằng một nút bấm. Điều này có thể đẩy nhanh đáng kể tiến độ phát triển trong những lĩnh vực này.

Có thể lưu trữ tất cả dữ liệu của thế giới trong ống nghiệm và hơn thế nữa

Lưu trữ dữ liệu DNA là lĩnh vực ứng dụng đầy hứa hẹn khác của công nghệ Telesis Bio đang phát triển. Thay vì sử dụng số 0 và 1 làm đầu vào, bộ lưu trữ dữ liệu DNA sử dụng bốn chữ cái của mã di truyền để lưu trữ thông tin. Mã DNA có mật độ thông tin cao hơn 64 lần và cực kỳ ổn định về mặt hóa học, vì vậy mọi dữ liệu chúng ta có trên thế giới hiện nay đều có thể được mã hóa trong DNA, tổng hợp cũng như lưu trữ trong ống nghiệm.

Một số công ty chuyển từ kỹ thuật số sang DNA: gã khổng lồ lưu trữ dữ liệu Seagate Technology gần đây hợp tác với startup Catalog để thực hiện chính xác điều đó. Twist Bioscience, công ty điều hành dịch vụ trung tâm để sản xuất DNA, hợp tác với Microsoft và đại học Washington để thực hiện nghiên cứu lưu trữ DNA.

Đây chỉ mới bắt đầu. Mọi ứng dụng kinh tế sinh học khác – từ nhiên liệu sinh học đến nông nghiệp tế bào – đều yêu cầu viết DNA. Tiềm năng của các công ty như Telesis Bio là vô hạn khi đề cập đến quá trình đổi mới sáng tạo: “BioXP™ giống như một chiếc iPhone: chúng tôi xây dựng một nền tảng tuyệt vời và hiện giờ tất cả ứng dụng đều chạy trên đó,” Todd dự đoán.

Ngoài kia còn có nhiều bộ tổng hợp DNA khác, mỗi bộ cung cấp công nghệ của riêng chúng. Một công ty tên là Kilobaser tạo ra bộ tổng hợp DNA lẫn RNA để bàn, sử dụng quá trình tổng hợp hóa học truyền thống để in từng đoạn DNA ngắn (gọi là oligos), mỗi lần một đoạn. DNA Script đưa ra bộ tổng hợp DNA có thể in nhiều đoạn oligo lên tới 45 dãy cơ sở và Evonetix sắp ra mắt máy để bàn cho phép tổng hợp oligo dài hơn nữa.

Telesis Bio đang tìm cách mở rộng khả năng công nghệ hiện tại để mang đến cho nhà nghiên cứu quá trình tổng hợp DNA đoạn dài nhanh chóng, chính xác đồng thời ghép theo yêu cầu, cùng với quy trình sinh học tổng hợp khác.

“Telesis Bio không chỉ là công ty tổng hợp DNA. Chúng tôi muốn trao quyền cho nhà nghiên cứu trở thành người cung cấp dịch vụ của riêng họ với DNA, RNA và protein có khả năng được tùy chỉnh, chất lượng cao nhất,” Todd cho biết. Gần đây công ty đổi tên từ Codex DNA thành Telesis Bio vì muốn nhắm đến thực hiện những kế hoạch lớn để phát triển vượt bậc so với mô hình trung tâm tổng hợp tập trung hiện hữu cho phép nhà nghiên cứu ở mọi nơi có thể tự tạo ra sản phẩm DNA lẫn RNA.

Biên dịch: Gia Nhi

Xem thêm:
Tham vọng dẫn dắt thị trường giải mã gen Việt của Gene Solutions
Mirvie phát triển khả năng xét nghiệm máu dự đoán những biến chứng trong thai kỳ