Khoảng 4 tỷ năm trước, tế bào sống được sinh ra trên Trái Đất. Một nhóm các phân tử không có sự sống đã kết hợp với nhau để tạo nên những tế bào nguyên thủy (protocells) đầu tiên.

Mọi tế bào sống đều đi theo một chu trình chung: phát triển, nhân đôi DNA, phân bào và tiến hóa. Chúng phiên mã DNA thành RNA, sau đó tạo ra các protein để thực hiện những nhiệm vụ cùng các hoạt động khác giúp tế bào vận hành, chẳng hạn chuyển hóa các phân tử thành năng lượng. Tất cả những quá trình này đều diễn ra bên trong một màng lipid giữ cho tất cả các vật liệu cần thiết ở cùng một chỗ.

Nhóm của Kate Adamala, nhà sinh học tổng hợp tại Đại học Minnesota (Mỹ) muốn tạo ra một tế bào tổng hợp mô phỏng quá trình đó. Họ xây dựng một bộ gene tế bào cỡ nhỏ (khoảng 90.000 cặp bazơ trải rộng trên chín phân tử DNA riêng biệt), đồng thời cung cấp cho nó mọi vật liệu sinh học cần thiết để thực hiện những nhiệm vụ phức tạp của tế bào.

Tất cả thành phần này được chứa trong một liposome (túi rỗng bao bọc bởi một màng lipid đơn giản) đóng vai trò làm thân tế bào.

Để tế bào nhân tạo có được cơ chế sao chép DNA và truyền cho thế hệ sau, nhóm nghiên cứu dùng một hệ thống nhân đôi vật chất di truyền do hai nhà sinh vật học Hannes Mutschler và Christophe Danelon phát triển.

Sau đó, họ tinh chỉnh bộ gene để nó hoạt động nhịp nhàng với những hệ thống khác, bao gồm một bộ 36 enzyme giúp đọc DNA và tạo ra protein.

Vì bộ gene tổng hợp này không có các gene chuyển hóa thức ăn thành năng lượng cũng như không có nhiều phân tử phức tạp mà tế bào cần để duy trì sự sống, các nhà nghiên cứu phải chuẩn bị sẵn nguồn cung cấp dưỡng chất từ bên ngoài.

Họ nạp những phân tử như đường, lipid, enzyme cùng một số phân tử RNA vận chuyển (tRNA) và ribosome vào các túi liposomes khác nhau.

Để tế bào nhân tạo có thể hấp thụ dưỡng chất từ những túi liposomes, họ biến đổi một loại protein nằm trên màng tế bào có khả năng hút các bong bóng lipid về phía mình. Khi một bong bóng lipid chạm vào tế bào, màng của chúng sẽ hòa với nhau, giải phóng các chất bổ sung vào bên trong.

Sau khi được tinh chỉnh và tối ưu hóa thêm một vài bước, tế bào nhân tạo bắt đầu phát triển và tự nhân đôi DNA. Đây chính là điểm nghẽn trong suốt một thời gian dài.

Một tế bào bình thường sẽ tái cấu trúc bộ khung xương tế bào để chia đôi DNA và tách ra thành hai tế bào riêng rẽ. Nhưng quy trình này cực kỳ khó tái tạo trong phòng thí nghiệm.

Tình cờ Kate Adamala bắt gặp một cơ chế thú vị trong một bài báo của Reinhard Lipowsky ở Viện Max Planck về Chất keo và Giao diện (Đức). Bằng cách gắn các thẻ protein vào màng tế bào, nhóm của Lipowsky đã hút các protein tụ lại dày đặc xung quanh màng tế bào và uốn cong lớp màng, buộc tế bào phải phân chia. Học theo hướng tiếp cận này, Adamala đã tinh chỉnh một loại protein màng tế bào và thử nghiệm nó trên các tế bào nguyên thủy của mình. Sau nhiều lần thử nghiệm, phương pháp này đã thành công.

Dĩ nhiên, tế bào này vẫn chưa được coi là tự sống độc lập khỏi môi trường sinh trưởng. Nó không thể tồn tại nếu thiếu nguồn cung cấp dinh dưỡng liên tục và ribosome tức bộ máy cần thiết để tổng hợp protein. Nó cũng không có khả năng tự bảo vệ hay hệ thống đào thải chất thải hiệu quả.

Nhóm Adamala đã công khai toàn bộ dữ liệu và phương pháp trên Biotic để các nhà sinh học tổng hợp khác có thể bắt đầu xây dựng và cải tiến tế bào này.

Họ hy vọng rằng trong nhiều thập kỷ tới, những tế bào tổng hợp sẽ có khả năng tạo ra nhựa hoặc sản xuất ra phân bón và biệt dược.