Cách các nhà khoa học và nghệ sĩ phục hồi mùi hương của các loài hoa tuyệt chủng

Sử dụng DNA từ các mẫu hoa tuyệt chủng, các nhà sinh học tổng hợp đã tái tạo những mùi hương hoa đã mất lâu.

Lật từng trang trong các hồ sơ mẫu thực vật ép tại vườn thảo mộc của Đại học Harvard, các nhà sinh học tổng hợp Christina Agapakis và Dawn Thompson đã tìm kiếm những bông hoa không còn tồn tại. Khi so sánh danh sách in ra từ Danh sách đỏ IUCN về Sự tuyệt chủng của các loài thực vật hiện đại với tên viết tay trên những nhãn đã ố vàng, họ đã tìm thấy hai mươi loài từ đó họ có thể cắt ra những mẫu mô nhỏ.

Ba trong số này vẫn chứa đủ DNA để con người có thể trải nghiệm lại mùi hương của những bông hoa đã mất. Những mùi hương này được khuếch tán trong tác phẩm nghệ thuật Phục hồi vẻ đẹp thiêng liêng (2019), hợp tác cùng nghệ sĩ Alexandra Daisy Ginsberg và nhà nghiên cứu mùi hương kiêm nghệ sĩ Sissel Tolaas.

Những bông hoa này, lần lượt có nguồn gốc từ Hawaii, Kentucky và Nam Phi, có một điểm chung đặc biệt. Chúng đều bị tiêu diệt do hành động của thực dân: sự tàn phá môi trường sống của con người. Năm 1912, chỉ hai năm sau khi hoa bản địa Maui hau kuahiwi được phát hiện lần đầu tiên và đặt tên là Hibiscadelphus wilderianus Rock bởi nhà thực vật học Áo-Mỹ Joseph F. Rock, cây duy nhất này đã được tìm thấy trong trạng thái hấp hối. Các trang trại gia súc thuộc địa đã hủy diệt khu rừng khô cằn bản địa của nó trên các cánh đồng nham thạch cổ trên sườn phía nam của Núi Haleakalā, trên đảo Maui, Hawaii.

Bốn ngàn dặm xa hơn và một thập kỷ sau, việc xây dựng Đập số 41 trên sông Ohio tại Louisville, Kentucky, đã hoàn toàn xóa sổ Falls of the Ohio Scurfpea, hay Orbexilum stipulatum.

Được thu thập lần đầu tiên vào năm 1835, bông hoa tím này lần cuối được nhìn thấy vào năm 1881 tại địa điểm duy nhất được biết đến của nó, một mỏ đá vôi Devonian của Đảo Rock, nằm tại khúc quanh của con sông. Nguyên nhân mất đi của nó vẫn chưa rõ; có lẽ sự suy giảm số lượng trâu bò đã ảnh hưởng đến các loài khác. Nhưng khi đập nước nhấn chìm kênh nước vào những năm 1920, hòn đảo cũng bị xóa sổ. tám ngàn dặm xa về phía nam ở cực nam châu Phi, sự mở rộng vườn nho thuộc địa từ thế kỷ XVIII đã biến đổi đồi Wynberg có nền đá granite dưới bóng núi Table.

Tiến sĩ Christina Agapakis lấy mẫu mô từ một tiêu bản của loài Hibiscadelphus wilderianus Rock tại Vườn Thảo Mộc của Đại học Harvard.

Ảnh chụp từ Google Earth của sườn phía nam đã bị phá rừng của Núi Haleakalā trên đảo Maui, Hawaii, nơi từng là môi trường sống của Hibiscadelphus wilderianus Rock.

Agapakis lấy mẫu mô từ một tiêu bản của Orbexilum stipulatum từ bộ sưu tập của Gray Herbarium thuộc Đại học Harvard.

Cảnh chụp từ trên không của Falls of the Ohio và Kênh và Đập Số 41 vào khoảng những năm 1930 hoặc 1940, tại Louisville, Kentucky. Đảo Rock đã bị mất khi đập bị ngập, và hòn đảo này sẽ nằm gần góc dưới bên phải của bức ảnh. (Hình ảnh: Wikipedia/miền công cộng.)

Hình ảnh từ Google Earth hướng về Núi Table, với đồi Wynberg ở phía trước. Đây từng là môi trường sống của loài Leucadendron grandiflorum (Salisb.) R. Br. đã tuyệt chủng, hiện tại là khu ngoại ô của Cape Town, Nam Phi.

Đây từng là ngôi nhà của loài protea Leucadendron grandiflorum (Salisb.) R. Br. hay còn gọi là Wynberg Conebush. Vào đầu thế kỷ XIX, nhà thực vật học Robert Salisbury đã ghi nhận mùi mạnh và khó chịu của hoa này.

Lịch sử phức tạp

Tuy nhiên, Salisbury không gặp bông hoa này ở Cape Town, mà là trong một khu vườn của nhà sưu tập tại London, có lẽ nó đã tuyệt chủng ngoài tự nhiên. Thực tế, loài hoa này có lịch sử phức tạp hơn khi hoa của Harvard là một mẫu được nuôi trồng từ những năm 1960, và do đó có thể đã được gán nhãn sai: không còn mẫu nào thực sự tồn tại (một vấn đề mà chúng tôi đang nghiên cứu).

Chỉ ghi chép của Salisbury mới có thể chứng minh rằng loài này từng tồn tại. Việc ba sinh vật dường như không quan trọng trong lịch sử sinh học tình cờ được nhìn thấy, thu thập và đặt tên bởi các nhà thực vật học phương Tây trước khi chúng biến mất là một lời nhắc nhở về tính chất ngẫu nhiên của sự tồn tại sinh học, cũng như sự thôi thúc của khoa học phương Tây trong việc phân loại sự sống để xác nhận sự tồn tại đó.

Vốn đã giúp tiêu diệt những bông hoa này và hiện tại cần đến vốn để đưa chúng trở lại. Việc Agapakis và Thompson tìm kiếm trong các hồ sơ của Harvard là sự khởi đầu cho một sự hợp tác giữa các nhà sinh học tổng hợp và nghệ sĩ, đặt ra các câu hỏi về mối quan hệ của chúng ta với tự nhiên, và về bảo tồn, thuộc địa hóa, và vai trò phức tạp của công nghệ và vốn khi nó giao thoa với các lĩnh vực này. Bài tiểu luận ngắn này có hình minh họa mô tả quá trình của chúng tôi và làm nổi bật một số vấn đề do tác phẩm nghệ thuật đặt ra nhằm khơi gợi suy ngẫm về, chứ không phải là giải pháp cho, cách chúng ta đối xử với thế giới tự nhiên.

Euryspermum grandiflorum của Robert Salisbury từ cuốn The Paradisus Londinensis, được xuất bản trong khoảng từ 1805 đến 1807. Cây này hiện được mô tả là Leucadendron grandiflorum (Salisb.) R. Br.

Mẫu khô của những gì đang được gọi một cách tạm thời là Leucadendron grandiflorum (Salisb.) R. Br., được thu thập từ một mẫu có thể được nuôi trồng vào năm 1966. Vì loài này được nhìn thấy lần cuối khoảng năm 1805, danh tính thực sự của mẫu này đang được điều tra.

Agapakis là giám đốc sáng tạo của Ginkgo Bioworks, một công ty công nghệ sinh học có trụ sở tại Boston được thành lập vào năm 2009. Trong nhà máy lấp lánh, được hỗ trợ bởi robot của mình, các nhà khoa học của Ginkgo thiết kế men và vi khuẩn để tiết ra các hóa chất hữu ích cho con người, từ dược phẩm đến nhiên liệu đến hương vị. Vì Ginkgo cũng sản xuất các phân tử mùi cho các công ty hương liệu, việc tái tạo các phân tử mùi đã mất từ các đoạn DNA vụn vỡ có thể mang lại phần thưởng về mặt kỹ thuật, trí tuệ cũng như thương mại. Dự án bắt đầu vào năm 2014 dưới dạng một dự án nghiên cứu nội bộ, mà Agapakis đảm nhận vì bị cuốn hút bởi việc liệu nó có thể thực hiện được về mặt khoa học hay không.

Quy trình tái tạo mùi hương

Việc tiết lộ mùi hương của các loài hoa từ thông tin được mã hóa trong DNA của chúng trước tiên cần sự trợ giúp từ các chuyên gia paleogenomics tại Đại học California ở Santa Cruz, những người có thể chiết xuất DNA từ các mẫu lịch sử bị suy thoái. Các nhà khoa học và kỹ sư của Ginkgo sau đó phân tích các đoạn để dự đoán các chuỗi gen có thể mã hóa các enzyme tạo ra hương thơm. Họ so sánh DNA với các chuỗi đã biết từ các sinh vật khác và điền vào các khoảng trống bằng cách sử dụng các gen mẫu.

Đây trở thành một thí nghiệm lớn và tốn kém: khoảng hai nghìn biến thể gen dự đoán đã được tổng hợp (ADN được in) và đưa vào nấm men, sau đó nấm men được nuôi để tạo ra các phân tử mùi và kiểm tra sản phẩm từ mỗi biến thể. Cuối cùng, nhóm đã sử dụng khối phổ để xác minh danh tính của mỗi phân tử được tiết ra. Từ danh sách các phân tử mùi này, vào năm 2018, Tolaas đã có thể bắt đầu tái tạo mùi của ba loài hoa đã tuyệt chủng trong phòng thí nghiệm của cô tại Berlin, sử dụng các phân tử mùi giống hệt hoặc so sánh cho những phân tử không có sẵn trên thị trường.

Tuy nhiên, mặc dù công nghệ sinh học có thể cho chúng ta biết các phân tử mà cây sản xuất, nhưng số lượng của chúng – cũng như những bông hoa – đều bị mất. Mùi thật của hoa vẫn không thể biết được. Sự không chắc chắn này phá vỡ câu chuyện giải pháp về việc kỹ thuật sự sống: các nhà sinh học tổng hợp tìm cách xây dựng sự sống để hiểu nó, để có thể kiểm soát nó. Nhưng ở đây, chúng ta không thể biết. Thay vì tạo ra cảm giác kiểm soát, việc sử dụng kỹ thuật di truyền để cố gắng phục dựng mùi của các loài hoa đã tuyệt chủng – để con người có thể trải nghiệm lại những gì mà chúng ta đã hủy diệt – vừa lãng mạn vừa đáng sợ. Cảm giác choáng ngợp này gợi lên sự huyền bí, một ý tưởng đã làm các nghệ sĩ và tư tưởng phương Tây quan tâm trong nhiều thế kỷ.

Huyền bí là một biểu hiện của sự không thể biết, một trạng thái thẩm mỹ đạt được qua sự tiếp xúc với tự nhiên và sự bao la của nó, khuyến khích suy ngẫm về vị trí của con người trong đó. Các nghệ sĩ đã cố gắng tái hiện cảm giác này trong các bức tranh phong cảnh thế kỷ 19; những hình ảnh tổng hợp đã nắm bắt được sự sáng tạo mãnh liệt của tự nhiên. Thành tựu công nghệ của Ginkgo đảo ngược trật tự tự nhiên của thời gian để thoáng nhìn một tự nhiên đã bị mất, nhưng giống như các bức tranh này, ngay cả những công nghệ sinh học tiên tiến nhất cũng chỉ có thể cung cấp một hình ảnh không đầy đủ.

Quá trình tái tạo từ mẫu vật đến mùi

1. Các mảnh ADN nhỏ được chiết xuất từ mô của cây khô.

2. Một máy giải trình tự ADN đọc các mảnh, tiết lộ thứ tự của các bazơ nucleotide của chúng: mã ADN.

3. Các chuỗi này được so sánh với một gen từ một sinh vật hiện tại để dự đoán các gen từ bông hoa đã mất mã hóa các enzyme tạo mùi hương.

4. Chuỗi gen được tái tạo cuối cùng, với các khoảng trống và lỗi được khớp từ khuôn mẫu, được in bởi máy tổng hợp ADN.

5. Gen đã in được đưa vào tế bào nấm men.

6. Nấm men được nuôi, tạo ra các bản sao. Gen chèn vào tế bào nấm men báo hiệu để tạo ra phân tử mùi hương.

7. Danh tính của phân tử mùi được xác nhận bằng khối phổ, xác nhận xem gen có hoạt động như dự đoán không.

8. Quá trình được lặp lại cho mỗi gen, cung cấp danh sách các phân tử mùi mà bông hoa có thể đã sản xuất.

9. Mùi của bông hoa được tái tạo bằng các phân tử giống hệt hoặc tương tự.

Chúng ta sẽ không bao giờ biết chính xác mùi của bông hoa: chúng ta biết những phân tử nào mà Hibiscadelphus wilderianus đã mất tạo ra, nhưng lượng của mỗi loại cũng đã mất.

Việc gợi lên sự huyền bí cũng liên kết tác phẩm này với sự thay đổi trong cách hiểu về huyền bí – từ những nỗ lực thế kỷ 18 nhằm tạo ra trải nghiệm huyền bí cho khán giả (chẳng hạn như các bộ sân khấu West End ngoạn mục của Philippe de Loutherbourg), đến phân tích vai trò của huyền bí trong việc xây dựng bản sắc thuộc địa ở thế kỷ 19 (thể hiện trong các bức tranh địa đàng của Frederick Church), đến huyền bí công nghệ của cơ sở hạ tầng kỹ thuật ở thế kỷ 20, và cuối cùng là sự chuyển đổi hậu hiện đại của huyền bí từ sự siêu việt sang sự gắn kết, nhưng có ý thức rằng đó là một trải nghiệm hay ảo tưởng được tạo dựng.

Sissel Tolaas tái tạo mùi trong phòng thí nghiệm tại Berlin.

Ginsberg muốn người xem bảo tàng trải nghiệm sự giả tạo hoàn toàn của một mùi hương tái sinh trong một cảnh quan mô phỏng. Cùng với nhóm trong studio của mình, cô đã thiết kế một loạt các sắp đặt có tính chất đắm chìm. Trong phiên bản lớn nhất, khách tham quan bước vào các tủ kính, tái hiện tủ trưng bày của bảo tàng lịch sử tự nhiên như một không gian chiêm nghiệm.

Bên trong mỗi tủ, Tolaas chia nhỏ mùi hương tái tạo của bông hoa đã mất thành bốn phần, được khuếch tán riêng lẻ từ trần nhà. Các mảnh mùi trộn lẫn quanh khách tham quan, mô phỏng sự không chắc chắn của sinh học: không có một mùi hương chính xác duy nhất, vì mỗi lần hít thở đều hơi khác nhau. Một cảnh quan các tảng đá phù hợp với địa chất của môi trường sống bị mất của bông hoa hoàn thiện diorama của thiên nhiên tối giản. Một bản nhạc nền gợi lên cảnh quan đã mất lại được lấp đầy bởi tiếng côn trùng vo ve và cây cối trong gió, được hỗ trợ bởi một tiếng trầm tần số thấp cộng hưởng trong ruột.

Khi họ đứng và ngửi mùi của bông hoa đã mất trong môi trường trừu tượng này, người tham quan trở thành đối tượng của màn trình diễn thiên nhiên. Họ không còn chỉ là người quan sát mà còn là một phần của thiên nhiên được quan sát, được những người khác nhìn vào từ bên ngoài. Trải nghiệm vật lý này tạo ra sự kết nối với những loài hoa khác biệt, đã bị tiêu diệt từ lâu ở những nơi xa xôi bởi những người thực dân trước đây.

Góc nhìn của sắp đặt Resurrecting the Sublime tại Biennale Internationale Design Saint-Étienne, Pháp, tháng 3 năm 2019. Tủ kính bên trái chứa mùi của Hibiscadelphus wilderianus Rock, khuếch tán trong khung cảnh các tảng đá dung nham, với cảnh quan được tái hiện phía trước. Tủ kính bên phải chứa mùi của Orbexilum stipulatum đã tuyệt chủng, cảnh quan được tái hiện hoàn chỉnh với các tảng đá vôi.

Đây là công nghệ sinh học được sử dụng để tạo ra cảm giác mất mát, không phải để xây dựng một giải pháp. Chúng tôi không cung cấp việc tái sinh tuyệt chủng, mà sử dụng các sắp đặt đắm chìm để mang lại cái nhìn thoáng qua về một bông hoa đang nở dưới bóng núi, trên một sườn núi lửa rừng rậm, hoặc bờ sông hoang dã; mỗi cảnh tượng là sự tương tác của một loài và một địa điểm không còn tồn tại.

Có phải đây là sự đảo ngược của huyền bí: sự thống trị hoàn toàn của con người lên thiên nhiên thông qua việc kỹ thuật sự sống? Hay sự mất mát này nhắc nhở chúng ta về sự mơ hồ của sinh học trước những nỗ lực của con người nhằm tái tạo lại thiên nhiên?

Con người kết nối hai điều này và trở thành mẫu vật được quan sát khi họ bước vào tủ kính.

Resurrecting the Sublime: Tái tạo kỹ thuật số cảnh quan đã mất của Hibiscadelphus wilderianus đã tuyệt chủng ở sườn phía nam núi Haleakalā trên đảo Maui, Hawaii.

Resurrecting the Sublime: Tái tạo kỹ thuật số cảnh quan đã mất của Orbexilum stipulatum đã tuyệt chủng trong môi trường sống ở Đảo Rock trên sông Ohio, Kentucky, trước khi nó tuyệt chủng vào năm 1881.

Resurrecting the Sublime: tái tạo kỹ thuật số cảnh quan đã mất của Leucadendron grandiflorum (Salisb.) R. Br. đã tuyệt chủng trên đồi Wynberg, Cape Town, được hình dung trước năm 1806