Tuy không phải là biện pháp tiết kiệm thời gian để chế tạo vaccine loại bỏ Covid-19, sinh học tổng hợp là một phương pháp đầy hứa hẹn với nhiều lợi ích.

Tình hình dịch bệnh ngày một chuyển biến xấu. Trung Quốc từ là ổ dịch nay đã bị các nước phương Tây vượt qua về số người tử vong.

Những thành phố lớn ở Mỹ yêu cầu người dân cách ly tại nhà, chỉ ra đường khi thực sự cần thiết. Nhiều chính phủ khuyến khích người dân hy sinh lợi ích cá nhân để đóng góp cho công cuộc phòng chống dịch bệnh chung.

Các tổ chức khoa học và cá nhân cũng chạy đua tìm kiếm, phát triển vaccine chống Covid-19. Theo STAT, Quỹ Bill & Melinda Gates và Viện Y tế Quốc gia Mỹ (NIH) đang có kế hoạch điều chế vaccine sinh học tổng hợp.

Thế giới đang tiến đến gần con số 100.000 người tử vong vì Covid-19. Ảnh: Eyevine.

Vaccine được sản xuất như thế nào?

Như đã biết, con người có thể đào tạo hệ miễn dịch nhận biết, săn lùng và tấn công virus, vi khuẩn lạ xâm nhập vào cơ thể. Thông qua cấu trúc của virus bất kỳ, các nhà khoa học có thể biết được cách kích hoạt phản ứng miễn dịch. Với sinh học tổng hợp, chúng ta có thể tăng những phản ứng đó lên nhiều lần.

Nhờ tiến bộ vượt bậc về giải trình tự và tổng hợp bộ gen, việc chế tạo thành phần kích hoạt phản ứng miễn dịch đã trở nên đơn giản hơn nhiều.

Theo các nhà dịch tễ học, nếu Covid-19 quay lại, hoặc một chủng virus corona khác xuất hiện, sinh học tổng hợp có thể cho chúng ta loại vaccine phát triển trên cơ chế "plug-and-play": Một loại vaccine thông qua vật chất di truyền (RNA hoặc DNA) đặc trưng cho từng loại virus.

Đây còn là vaccine sản xuất theo quy mô nhất định, không cần làm lạnh, dễ dàng điều chỉnh theo từng đợt dịch mới và có thể vận chuyển đến khắp nơi trên thế giới.

Có nhiều cách để chế tạo vaccine, nhưng chúng có một số điểm chung: Xác định "kẻ thù", tạo ra biến thể của nó và sản xuất theo quy mô.

“Kẻ thù” ở đây có thể là toàn bộ virus hay thành phần protein dễ nhận thấy của chúng. Đối với virus, các nhà khoa học có thể chế tạo ra biến thể của chúng với ít độc tính hơn hoặc sử dụng loại đã chết.

Gần đây, giới khoa học tập trung tìm ra loại protein bám vào virus có khả năng tương tác với hệ thống miễn dịch. Về cơ bản, chúng mô phỏng cách cơ thể xác định kẻ thù xâm nhập và bật chế độ tấn công.

Sinh học tổng hợp cho phép thiết kế và tái tạo các bộ phận sinh học mới, cũng như tái thiết các hệ thống sinh học tự nhiên cho mục đích hữu dụng. Ảnh: Gfycat.

Hãy hình dung virus như một cái gối để cắm kim. Những chiếc kim chìa ra chính là các protein kháng nguyên, tương tác trực tiếp với hệ miễn dịch. Vaccine nói chung có cấu trúc và chức năng tương tự kháng nguyên, là đèn hiệu để thu hút các tế bào miễn dịch.

Mấu chốt của quá trình huấn luyện hệ miễn dịch chính là kỹ năng nhận ra những thành phần xâm nhập bất thường, mà không cần phải chịu toàn bộ tác động của virus. Biết được những gì hệ thống miễn dịch bắt được trên virus thông qua đèn hiệu có thể mang lại những hiệu quả đáng kinh ngạc.

Điều gì sẽ xảy ra nếu ta gắn những chiếc “kim” kháng nguyên này lại với nhau vào chiếc “gối” tổng hợp?

Ý tưởng cho sinh học tổng hợp

Câu hỏi trên chính là ý tưởng dẫn đầu cho sự phát triển của vaccine sinh học tổng hợp. Các nhà khoa học đã chắt lọc những thành phần thiết yếu của virus và có thể tạo ra những mẩu lego từ chúng theo cơ chế plug-and-play.

Định nghĩa cụ thể về thành phần cấu tạo nên vaccine sinh học tổng hợp vẫn chưa xác định, nhưng có thể phân chúng thành 2 loại: Vaccine sử dụng thành phần di truyền đã được chế tạo hoặc sử dụng các hạt nhân tạo mô phỏng virus thực tế.

Loại vaccine tổng hợp đầu tiên đã được đưa vào thử nghiệm lâm sàng. Thay vì tạo ra những thành phần protein kháng nguyên, các nhà khoa học sẽ tổng hợp mRNA, chất truyền tin mang mã di truyền đến nhà máy sản xuất tế bào. Đó là những gì mà Moderna, một công ty công nghệ sinh học có trụ sở tại Cambridge, Anh đang thử nghiệm với vaccine chống Covid-19 của họ.

Theo lý thuyết, mRNA sẽ khiến tế bào chúng ta tuân theo hướng dẫn của nó và tạo ra kháng nguyên virus. Điều này báo động cho hệ thống miễn dịch và kích hoạt sản xuất protein, được gọi là kháng thể bám vào đèn hiệu.

Tuy nhiên, những thí nghiệm về độ an toàn phát hiện ra loại vaccine mRNA có thể gây ra những bất lợi nhất định. Vì vậy cho đến nay nó vẫn chưa được Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ chấp thuận cho phổ biến rộng rãi. Nhưng với vaccine Covid-19 của Moderna, chúng ta có thể nhận được kết quả an toàn trong thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 1 trên người trong vài tháng tới.

Loại thứ 2 có vẻ tham vọng hơn. Đó là tạo ra loại virus giả có khả năng khuếch đại một cách chọn lọc thành phần kháng nguyên. Công việc này được tiến hành theo hai bước. Đầu tiên các nhà khoa học cần tạo ra một lõi tự ráp mô phỏng cơ thể của virus.

Nhân viên y tế xử lý các mẫu bệnh phẩm tại phòng thí nghiệm vi sinh ở Varese, miền bắc Italy. Ảnh: AFP.

Tiến sĩ Neil King đang nghiên cứu vaccine chống virus corona tại Đại học Washington, đã sử dụng các hạt nano để xây dựng lõi. Thông qua những thuật toán máy tính tinh vi, các nhà khoa học có thể mô phỏng cách những kích thước hạt nano khác nhau tương tác với thành phần kháng nguyên và hiệu quả kích thích hệ miễn dịch của chúng.

Sau khi hoàn thành thiết kế, chuỗi protein cho hạt nano được mã hóa thành DNA hướng dẫn tổng hợp. Sau đó, các nhà khoa học sẽ ứng dụng những hướng dẫn này lên vi khuẩn E.Coli, thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, kích thích chúng xử lý bên trong tế bào và bơm ra protein. Trải qua quá trình tinh chế và chọn lọc, protein sẽ tự lắp ráp thành những hạt nano lí tưởng trong ống nghiệm.

Bước thứ hai là tìm vị trí đặt các protein trên hạt nano. Đối với vaccine , ta cần những kháng nguyên bám đủ lâu để huấn luyện hệ thống miễn dịch. Để làm được điều đó, Tiến sĩ King phát hiện ra nếu đặt một loạt protein hay kháng nguyên theo thứ tự, có thể tạo ra phản ứng miễn dịch mạnh hơn so với chỉ đặt một protein lên lõi nano.

Nói cách khác, vaccine sinh học tổng hợp dùng phương pháp nano mô phỏng virus hiệu quả hơn RNA hay các nguồn vaccine khác chống Covid-19.

Tuy không phải là biện pháp tiết kiệm thời gian để chế tạo vaccine loại bỏ Covid-19, sinh học tổng hợp là một phương pháp đầy hứa hẹn. Bởi nó giúp thay đổi kỹ thuật chế tạo vaccine truyền thống, không cần thêm quá nhiều hóa chất, giảm tác dụng phụ và thậm chí là vận chuyển dễ dàng hơn mà không cần làm lạnh.