DNA của bồ câu Nicobar và 2.300 mục tiêu do AI xác định đưa dự án hồi sinh chim dodo sang giai đoạn thử nghiệm mới

Một loài bồ câu còn sống là trọng tâm trong đề xuất hồi sinh loài chim đã tuyệt chủng

Colossal Biosciences cho biết nền tảng trí tuệ nhân tạo mới của công ty đã xác định khoảng 2.300 mục tiêu DNA có thể giúp lý giải chiếc mỏ và cấu trúc khuôn mặt đặc trưng của chim dodo. Con đường mà công ty công nghệ sinh học ở Dallas đề xuất để tạo ra một loài chim còn sống bắt đầu từ một loài phân bố tại quần đảo Andaman và Nicobar cùng nhiều nơi khác ở Đông Nam Á: bồ câu Nicobar.

Hiện công ty có 36 con bồ câu Nicobar trong một đàn sinh sản ở Texas. Công ty dự định dùng tế bào của chúng làm vật liệu ban đầu để tạo ra những con chim mang một số đặc điểm được chọn lọc của dodo, kết hợp DNA cổ đại, kỹ thuật di truyền và các kỹ thuật sinh sản có sử dụng gà làm vật chủ thay thế.

Thông báo về GenoMorph của Colossal mô tả một công cụ được huấn luyện bằng dữ liệu phát triển từ chim cút, vịt, gà và bồ câu. Công cụ này nhằm thu hẹp danh sách khổng lồ các khác biệt di truyền để tìm ra những ứng viên mà các nhà khoa học có thể kiểm tra trong phòng thí nghiệm.

Dự án phải giải quyết ba nhiệm vụ liên quan: tìm những thay đổi DNA tạo ra các đặc điểm mong muốn, thực hiện những thay đổi đó trong các tế bào có thể truyền chúng cho đời sau, và chuẩn bị môi trường sống phù hợp tại Mauritius, nơi duy nhất dodo sinh sống tự nhiên. Cần đạt tiến triển trong từng lĩnh vực trước khi một con chim được biến đổi di truyền có thể trở thành một phần của quần thể sinh sản tại đó.

Công ty mô tả loài vật hướng tới là một con dodo có khả năng hoạt động bình thường, mang những đặc điểm chính của loài đã tuyệt chủng. Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên mô tả kết quả được đề xuất là một loài bồ câu giống dodo. Sự khác biệt trong cách gọi phản ánh một cuộc tranh luận khoa học cốt lõi: một loài chim được biến đổi di truyền có thể giống đến đâu với loài vật mà diện mạo và tập tính vẫn chưa được hiểu đầy đủ.

Vì sao chỉ có một bộ gen còn sót lại lại tạo thành câu đố khó

Colossal đã giải mã một bộ gen dodo có chất lượng cao, so với 104 bộ gen voi ma mút lông xoăn được nêu trong thông báo về GenoMorph. Bộ gen là tập hợp các chỉ dẫn di truyền của một sinh vật. Có nhiều mẫu giúp các nhà nghiên cứu xác định khác biệt nào phổ biến trong một loài và khác biệt nào gắn với những đặc điểm nhất định.

Môi trường ở Mauritius gây khó khăn cho việc bảo tồn những chỉ dẫn này. Nhiệt độ cao và độ ẩm làm DNA phân rã thành các đoạn nhỏ, trong khi điều kiện lạnh thường thấy ở các di tích voi ma mút đã bảo tồn được nhiều vật liệu hơn. Chỉ có một bộ gen dodo chất lượng cao khiến các nhà khoa học có ít cơ hội hơn để kiểm tra xem một đặc điểm di truyền cụ thể có phổ biến ở loài dodo hay không.

Beth Shapiro, giám đốc khoa học của Colossal, đã phối hợp với Tom Gilbert và John Fjeldså thuộc Đại học Copenhagen để lãnh đạo nhóm giải trình tự và lắp ráp bộ gen. Theo kế hoạch dự án dodo của công ty, nhóm đã sử dụng DNA chiết xuất từ một hộp sọ lưu giữ tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Đan Mạch.

Colossal cho biết bộ gen được giải trình tự với độ phủ khoảng 50X. Điều này có nghĩa là trung bình mỗi vị trí DNA được đọc khoảng 50 lần, giúp các nhà nghiên cứu kiểm tra trình tự. Công ty cũng mô tả bộ gen đã được lấp đầy khoảng 95% và quá trình phân tích sắp hoàn tất. Độ phủ đo số lần đọc lặp lại; độ hoàn chỉnh cho biết bao nhiêu phần của trình tự đã được khôi phục.

GenoMorph tìm kiếm chiếc mỏ dodo như thế nào

GenoMorph kết hợp thông tin về các loài chim còn sống với trình tự DNA cổ đại của dodo. Colossal cho biết dữ liệu huấn luyện gồm DNA điều hòa được lấy mẫu qua sáu giai đoạn phát triển phôi và ba vùng liên quan đến sự phát triển khuôn mặt, cùng thông tin di truyền và số đo hộp sọ của hơn 70 loài chim.

DNA điều hòa hoạt động như một hệ thống công tắc và nút điều chỉnh độ sáng. Nó giúp kiểm soát thời điểm một gene hoạt động, vị trí gene phát huy tác dụng và mức độ hoạt động. Những thay đổi trong cơ chế kiểm soát này có thể ảnh hưởng đến hình dạng mỏ hoặc hộp sọ đang phát triển.

Bản phân tích chi tiết của công ty liệt kê 653 yếu tố điều hòa ứng viên liên quan đến kích thước mỏ và 1.698 yếu tố liên quan đến độ dày và chiều rộng. Hai nhóm này có tổng cộng 2.351 ứng viên, phù hợp với con số ước tính khoảng 2.300 mục tiêu nêu trong tiêu đề.

Shapiro giải thích cách công ty chuyển từ dự đoán trên máy tính sang thí nghiệm:

Thay vào đó, GenoMorph nghiên cứu quá trình phát triển hộp sọ và mỏ ở hơn 70 loài chim còn sống, đồng thời tìm hiểu những công tắc di truyền kiểm soát hình dạng của chúng. Công cụ đã đưa ra danh sách rút gọn khoảng 2.300 ứng viên liên quan đến kích thước và hình dạng mỏ. Các mục tiêu này hiện đang được kiểm chứng trong phòng thí nghiệm.

Kiểm chứng trong phòng thí nghiệm là thay đổi hoặc thử nghiệm một vùng DNA ứng viên rồi quan sát kết quả. Trước khi lựa chọn những thay đổi cho tế bào bồ câu Nicobar, các nhà nghiên cứu phải xác định ứng viên nào ảnh hưởng đến quá trình phát triển, mức độ ảnh hưởng ra sao và chúng tương tác với nhau như thế nào.

Điều gì khiến bồ câu Nicobar hữu ích?

Bồ câu Nicobar là loài họ hàng còn sống gần nhất của dodo. Bộ lông ánh xanh lục và màu đồng cùng khả năng bay khiến loài chim này trông rất khác loài đã tuyệt chủng, nhưng quan hệ di truyền khiến nó trở thành nền tảng cho kế hoạch biến đổi của Colossal.

Loài chim solitaire Rodrigues đã tuyệt chủng là một đối tượng so sánh quan trọng khác. Colossal xác định đây là loài có quan hệ di truyền gần nhất với dodo và đang dùng bộ gen của nó để tìm hiểu những đặc điểm mà hai loài chim đã tuyệt chủng cùng có. Sự khác biệt rất rõ: solitaire cung cấp thông tin di truyền cổ đại, còn bồ câu Nicobar còn sống có thể cung cấp tế bào cho các thí nghiệm và quy trình sinh sản.

Colossal cho biết hoạt động sinh sản thành công đã giúp đàn chim ở Texas tăng lên 36 con. Đàn này cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu quá trình phát triển, sinh sản và di truyền, đồng thời cung cấp những tế bào chuyên biệt cần thiết cho phương pháp sinh sản được đề xuất.

Những tế bào này được gọi là tế bào mầm nguyên thủy, hay PGC. Đây là các tế bào sơ khai cuối cùng sẽ phát triển thành trứng hoặc tinh trùng. Chỉnh sửa chúng tạo ra cách truyền những thay đổi di truyền cho đời sau, thay vì chỉ thay đổi cơ thể của một con chim.

Nuôi cấy tế bào sinh sản là bước ngoặt trước đó

Trước đây, Colossal thông báo đã nuôi cấy tế bào mầm nguyên thủy của bồ câu đá, loài bồ câu phổ biến ở thành phố, trong 60 ngày. Các nhà nghiên cứu đã thử hơn 300 tổ hợp chất dinh dưỡng, yếu tố tăng trưởng và thành phần khác trước khi tìm được điều kiện giúp tế bào tiếp tục phát triển.

Anna Keyte, giám đốc phụ trách các loài chim của Colossal, cho biết công thức đã được thiết lập cho tế bào mầm của gà không hiệu quả với các loài chim khác được thử nghiệm, trong đó có chim cút. Mỗi loài có thể cần những điều kiện khác nhau, vì vậy kết quả với bồ câu là một bước tiến thực tế hướng tới nghiên cứu tế bào bồ câu Nicobar.

Nghiên cứu về bồ câu đá chưa qua bình duyệt khi được công bố. Bình duyệt là quá trình các nhà nghiên cứu khác đánh giá công trình trước khi công bố trên tạp chí khoa học. Sau đó, Colossal cho biết họ đã tạo ra các tế bào thiết yếu sẽ trở thành trứng và tinh trùng trong nghiên cứu về bồ câu Nicobar.

Thử nghiệm sinh sản tiếp theo được mô tả sau thông báo về bồ câu đá là dùng tế bào bồ câu nuôi cấy để tạo ra bồ câu sống thông qua gà làm vật chủ thay thế. Kế hoạch của Colossal cũng đề cập việc thử nghiệm các điều kiện khác nhau để cải thiện sự phát triển của tế bào mầm nguyên thủy bồ câu Nicobar, rồi đưa các đặc điểm dodo được chọn vào những tế bào này.

Vì sao gà là một phần trong kế hoạch

Sinh sản ở chim đòi hỏi cách tiếp cận khác với các phương pháp nhân bản dùng ở động vật có vú. Chiến lược của Colossal dựa vào gà mang tế bào sinh sản có nguồn gốc từ bồ câu, sau khi loại bỏ tế bào mầm của chính gà bằng kỹ thuật di truyền.

Các nhà nghiên cứu sẽ chuyển tế bào mầm nguyên thủy của bồ câu đã chỉnh sửa vào phôi gà đang phát triển. Mục tiêu là tạo ra những con chim trưởng thành làm vật chủ thay thế, có thể sinh trứng hoặc tinh trùng bắt nguồn từ các tế bào được chuyển vào. Sau đó, việc lai tạo qua hệ thống này sẽ tạo ra đời con mang những thay đổi di truyền đã chọn.

Gà hữu ích vì các nhà khoa học đã có nhiều kinh nghiệm về di truyền và sinh sản của chúng. Colossal cũng cho biết khả năng bay hạn chế giúp việc quản lý gà dễ hơn bồ câu.

Shapiro giải thích rằng việc thiết lập các dòng chim mẹ và chim bố sẽ mất thêm thời gian. Các nhà nghiên cứu phải tạo ra những con chim sản sinh tế bào sinh sản cần thiết rồi cho chúng sinh sản để đời con nhận được những thay đổi mong muốn từ cả bố lẫn mẹ. Kế hoạch dự án của công ty cũng nêu hiệu suất còn hạn chế khi thực hiện nhiều chỉnh sửa di truyền cùng lúc là một trở ngại kỹ thuật.

Cách thử nghiệm thay đổi nhanh hơn ngay trong trứng

Colossal cho biết đã phát triển các hạt nano lipid có thể đưa công cụ di truyền trực tiếp vào phôi chim đang phát triển. Những hạt siêu nhỏ làm từ vật liệu béo này đưa DNA, RNA hoặc các thành phần CRISPR vào tế bào. CRISPR là công cụ dùng để tạo ra những thay đổi có mục tiêu trong DNA.

Ưu điểm được đề xuất là tốc độ. Các nhà khoa học có thể quan sát ảnh hưởng của một chỉnh sửa đến quá trình phát triển phôi mà không cần chờ chim trưởng thành và hoàn tất một chu kỳ sinh sản. Điều này có thể giúp họ sàng lọc các ứng viên của GenoMorph trước khi bắt đầu quy trình sinh sản kéo dài hơn.

Những thí nghiệm ban đầu nhắm vào Runx2, một gene tham gia vào quá trình phát triển xương, trong phôi của các loài chim như bồ câu đá và vịt. Colossal cho biết các chỉnh sửa này gây ra những thay đổi có thể quan sát được ở hộp sọ và các đặc điểm trên khuôn mặt.

Công ty cho biết những phát hiện sơ bộ đã được trình bày tại các hội nghị về phát triển sọ mặt và sinh học phân tử, đồng thời dự kiến có bài nghiên cứu trên máy chủ tiền ấn phẩm bioRxiv. Tiền ấn phẩm giúp công chúng tiếp cận nghiên cứu trước khi công trình được bình duyệt trên tạp chí. Nhiệm vụ thí nghiệm tiếp theo là kiểm tra các yếu tố điều hòa ứng viên và chọn những thay đổi triển vọng để đưa vào tế bào mầm bồ câu Nicobar.

Chim được biến đổi di truyền có thể giống dodo đến đâu?

Cẩm nang thông tin về dodo của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên giải thích một khó khăn cơ bản: các nhà nghiên cứu có rất ít bằng chứng về diện mạo và tập tính của dodo. Không có mẫu nhồi bông hoàn chỉnh nào còn tồn tại, và chỉ có hai bộ xương gần như hoàn chỉnh chứa những chiếc xương được xác định là thuộc về cùng một cá thể. Cả hai đều được lưu giữ tại Mauritius.

Bảo tàng ước tính dodo cao khoảng 70 cm và nặng khoảng 12 kg. Trang dự án của Colossal đưa ra khoảng lớn hơn: cao từ 81 đến 97 cm và nặng từ 13 đến 23 kg. Bảo tàng cho biết cân nặng có thể thay đổi theo mùa, còn các nghiên cứu mô tả loài chim này có dáng thanh mảnh và nhanh nhẹn hơn nhiều hình minh họa quen thuộc.

Scott MacDougall-Shackleton, đồng sáng lập kiêm giám đốc Cơ sở Nghiên cứu Chim tiên tiến của Đại học Western, cho biết quá trình phát triển phụ thuộc vào sự tương tác giữa gene, sinh học của bố mẹ, hormone và môi trường. Ông giải thích lý do phản đối cách công ty mô tả mục tiêu:

Trong quá trình phát triển, bộ gen của chúng ta tương tác với bộ gen của bố mẹ, hormone và môi trường theo cách khiến các gene được bật hoặc tắt rất phức tạp; chúng ta không thể biết hay tái tạo những quá trình đó ở một loài đã tuyệt chủng.

Leonardo Campagna, nhà sinh học tiến hóa tại Phòng thí nghiệm Điểu học Cornell, cũng đặt câu hỏi về mức độ các nhà khoa học có thể tái dựng cấu trúc di truyền của dodo và cách cấu trúc đó tương tác với môi trường. Colossal cho biết mục tiêu của công ty là tái tạo những đặc điểm then chốt và chức năng sinh thái, chứ không phải tạo ra một bản sao di truyền hoàn toàn giống hệt.

Mauritius cần nhiều hơn một con chim sẵn sàng nở

Mauritius mất đi loài dodo sau khi nạn săn bắt, những thay đổi môi trường sống và động vật du nhập làm biến đổi hòn đảo. Chuột, lợn và các loài khác được đưa đến đã đe dọa chim và tổ của chúng. Bất kỳ chương trình thả chim nào cũng phải giải quyết những sức ép này, đồng thời bảo đảm đủ môi trường sống phù hợp cho một quần thể đang phát triển.

Diễn biến lịch sử cũng cho thấy vì sao lần nhìn thấy cuối cùng và thời điểm tuyệt chủng ước tính là hai mốc khác nhau:

• 1598: Các thủy thủ Hà Lan đến Mauritius, nơi dodo đã tiến hóa mà không có những loài săn mồi du nhập theo con người định cư.
• 1662: Ghi nhận lần nhìn thấy đáng tin cậy nổi tiếng nhất. Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên cũng đề cập khả năng đã có người nhìn thấy dodo muộn nhất vào năm 1680.
• Khoảng năm 1690: Các nhà nghiên cứu David Roberts và Andrew Solow ước tính thời điểm tuyệt chủng trong một phân tích công bố năm 2003, được Colossal dẫn lại.
• 1865: Việc phát hiện trầm tích đầm lầy Mare aux Songes cung cấp nhiều di tích, giúp các nhà khoa học tái dựng môi trường sống của dodo.

Colossal cho biết đang hợp tác với các nhà khoa học Mauritius, các nhóm bảo tồn và chính phủ nước này, trong đó có quan hệ đối tác với Tổ chức Bảo tồn Động vật hoang dã Mauritius. Công ty đang tìm kiếm những địa điểm không có chuột. Giám đốc điều hành kiêm đồng sáng lập Ben Lamm cho biết địa điểm thả chim sẽ được chọn sau các nghiên cứu sinh thái và tham vấn cộng đồng.

Lamm từng nói về tham vọng tạo ra hàng nghìn con chim có mức đa dạng di truyền được thiết kế. Shapiro cho biết mọi hoạt động đưa chim về tự nhiên sẽ được tiến hành từng bước. Thông báo AI mới nhất không đưa ra ngày chim nở; ước tính trước đây của Lamm là ít nhất từ năm đến bảy năm, được đưa ra trong thông báo về tế bào sinh sản, chỉ là dự báo chứ không phải lịch trình mới được xác nhận.

Lợi ích bảo tồn và tranh luận về thứ tự ưu tiên

Các kỹ thuật này cũng có thể được dùng cho những loài chim hiện vẫn còn tồn tại. Nuôi cấy tế bào sinh sản, lưu trữ chúng và chuyển các biến thể di truyền có lợi có thể giúp những quần thể có mức đa dạng di truyền thấp hoặc đang đối mặt với nguy cơ bệnh tật nghiêm trọng.

Colossal dẫn ra loài bồ câu hồng Mauritius; trang dự án của công ty ước tính quần thể hiện có từ 375 đến 490 con, so với 77 con trong tự nhiên vào năm 1994. Những con số này cho thấy quần thể đã phục hồi, nhưng vẫn còn các vấn đề về giao phối cận huyết và bệnh tật, trong đó có bệnh do ký sinh trùng Trichomonas gallinae gây ra.

Cock van Oosterhout, giáo sư di truyền học tiến hóa tại Đại học East Anglia, nhận thấy việc xác định khả năng kháng bệnh trong mẫu vật lịch sử hoặc các loài họ hàng, rồi đưa đặc điểm đó vào quần thể dễ tổn thương, có nhiều tiềm năng. Ông đã nhận được khoản tài trợ từ Colossal cho nghiên cứu về bồ câu hồng. Ông cho rằng công nghệ này có thể hỗ trợ phục hồi quần thể, nhưng tình trạng mất môi trường sống và những nguyên nhân khác của khủng hoảng đa dạng sinh học vẫn cần được xử lý trực tiếp.

Nhà sinh vật học Rich Grenyer thuộc Đại học Oxford từng cảnh báo rằng những lời hứa hồi sinh loài có thể làm giảm tính cấp bách của việc ngăn chặn tuyệt chủng. Mối lo của ông là nguy cơ đạo đức: con người có thể sẵn sàng chấp nhận thiệt hại hơn nếu tin rằng sau này có thể thay thế một loài đã tuyệt chủng.

Nguồn tài chính của Colossal khiến những lập luận này có ý nghĩa thực tế. Cùng với thông báo trước đó về tế bào, công ty công bố nhận thêm 120 triệu USD vốn, nâng tổng số vốn huy động lên 555 triệu USD và mức định giá lên 10,2 tỷ USD. Nhà đầu tư kiêm nhà sáng lập XPRIZE Peter Diamandis cũng công bố quỹ NeoGenesis Capital để hỗ trợ các doanh nghiệp sử dụng nền tảng sinh học có thể lập trình của Colossal trong lĩnh vực y tế, nông nghiệp và bảo tồn.

Dự án dodo hiện kết nối nguồn vốn tư nhân đáng kể với các thử nghiệm cụ thể trong phòng thí nghiệm và kế hoạch bảo tồn. Những cột mốc tiếp theo rất rõ ràng: kiểm chứng các ứng viên DNA, tạo ra đời con khỏe mạnh mang những chỉnh sửa hữu ích và thiết lập các điều kiện tại Mauritius để quần thể có thể tồn tại.

Điểm chính

• Colossal cho biết GenoMorph đã xác định khoảng 2.300 mục tiêu DNA ứng viên liên quan đến mỏ và cấu trúc khuôn mặt của dodo.
• Công ty có một bộ gen dodo chất lượng cao và một đàn gồm 36 con bồ câu Nicobar ở Texas.
• Phương pháp sinh sản được đề xuất sử dụng tế bào mầm bồ câu đã chỉnh sửa và gà làm vật chủ thay thế.
• Các thí nghiệm trên phôi và quá trình kiểm chứng trong phòng thí nghiệm nhằm xác định những thay đổi di truyền nào tạo ra các đặc điểm hữu ích.
• Loài chim hướng tới sẽ mang một số đặc điểm được chọn của dodo; các nhà khoa học tranh luận về mức độ nó có thể tái tạo loài đã tuyệt chủng.
• Thông báo về AI không kèm ngày chim nở; kế hoạch thả chim đòi hỏi nghiên cứu môi trường sống và tham vấn tại Mauritius.