CRISPR Đã Có Thể Chỉnh Sửa Cả Nhiễm Sắc Thể, Chứa Hàng Triệu Ký Tự Di Truyền Cùng Lúc

Microsoft Word cho phép ta sao chép, dán và xóa bất cứ ký tự văn bản nào, chỉ cần đặt con trỏ ở đúng vị trí. Trình xử lý văn bản cũng cho phép người dùng cắt ghép hoặc sắp xếp từng đoạn văn. Thử tưởng tượng, sẽ bất tiện thế nào nếu một ngày Microsoft Word chỉ cho phép cắt ghép từng ký tự một? Để xử lý cả một đoạn văn, ta sẽ phải gõ lại tất cả, thậm chí là copy – paste từng ký tự từ chỗ này sang chỗ khác. Đây cũng chính là hạn chế mà các nhà sinh học phải đối mặt trong nhiều thập kỷ. Với những công cụ chỉnh sửa gen hiện đại nhất, kể cả CRISPR, từ trước tới nay họ cũng chỉ mới thao tác được với từng gen hoặc đoạn gen rất ngắn nội trong từng tế bào.

Khả năng thao tác, cắt ghép những khối nhiễm sắc thể lớn từ tế bào này sang tế bào khác từng hoàn toàn nằm ngoài tầm với. Nhưng một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science đã biến nó trở thành khả thi.

Trong đó, các nhà khoa học trình bày một công cụ CRISPR cải tiến cho phép họ chỉnh sửa những đoạn gen cực kỳ lớn, chứa hàng triệu ký tự di truyền. Khả năng sẽ thúc đẩy những hướng phát triển công nghệ sinh học, chẳng hạn như công nghệ DNA tái tổ hợp, tạo ra các sinh vật biến đổi gen nhả ra vật liệu mới hoặc các liệu pháp gen để chữa bệnh.

Anne Meyer, nhà sinh vật học tổng hợp tại Đại học Rochester, New York cho biết: “Bài báo cáo mới cực kỳ thú vị, nó là một bước tiến lớn đối với sinh học tổng hợp”. Kỹ thuật mới sẽ cho phép các nhà sinh học tổng hợp thực hiện "những thách thức lớn", chẳng hạn như viết thông tin lên DNA và lưu trữ nó trong bộ gen của vi khuẩn, hoặc tạo ra các loài vi khuẩn lai mới có thể thực hiện [những phản ứng trao đổi chất] phục vụ ngành hóa sinh hoặc sản xuất ra vật liệu.

Hiện nay, các công cụ và kỹ thuật di truyền mới nhất được thử nghiệm đều thất bại trong việc xử lý các đoạn DNA dài. Các enzyme - công cụ tiêu chuẩn dùng để cắt DNA - có thể tách các khối vật liệu di truyền và nối các đầu của chúng lại để tạo thành các đoạn tròn nhỏ, sau đó có thể di chuyển chúng ra khỏi tế bào này chuyển sang tế bào khác.

Thực tế, các đoạn DNA ở dạng thẳng không tồn tại được lâu, vì chúng sẽ bị một enzyme khác gọi là endonuclease phá hủy. Nhưng ngay cả khi cắt ghép thành dạng tròn, các đoạn DNA cũng chỉ có thể chứa tối đa vài trăm nghìn cặp bazơ. Trong khi, các nhà sinh học tổng hợp thường muốn di chuyển được cả các đoạn nhiễm sắc thể lớn chứa nhiều gen, có thể lên tới hàng triệu cặp bazơ thậm chí nhiều hơn

Nhà sinh học tổng hợp Jason Chin tại Phòng thí nghiệm sinh học phân tử của Hội đồng nghiên cứu y tế (MRC) ở Cambridge, U.K. cho biết: “Ta không thể đưa được những mảnh DNA rất lớn ra vào tế bào"”. Hơn nữa, những công cụ cắt và dán đó không nhắm mục tiêu chính xác lắm, chúng thường bỏ sót những DNA không mong muốn tại vị trí nối ghép - tạo thành các vết sẹo di truyền. Vì không thể di chuyển những khối vật chất di truyền lớn, các nhà sinh học phải cắt ghép chúng nhiều lần, làm tăng số lượng những vết sẹo và khi tích lũy đủ chúng sẽ gây ra những sai hỏng.

Một vấn đề khác là các công cụ chỉnh sửa truyền thống không thể gắn kết các phân đoạn lớn lại với nhau một cách thực sự. Chang Liu, nhà sinh học tổng hợp tại Đại học California, Irvine cho biết, Tất cả ngăn cản các nhà sinh học muốn thực hiện hàng trăm hoặc hàng nghìn thay đổi trên bộ gen của sinh vật.

Nhưng trong một bài báo công bố trên tạp chí Science, Chin và các đồng nghiệp của ông ở MRC báo cáo rằng họ đã giải quyết được các vấn đề.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã tinh chỉnh lại công nghệ CRISPR để cắt chính xác các đoạn DNA dài mà không để lại sẹo. Sau đó, họ đã thay đổi một công cụ chỉnh sửa gen nổi tiếng khác, một enzyme có tên là lambda red recombinase, để có thể dán các đầu của nhiễm sắc thể - sau khi đã cắt đi một đoạn của nó - cũng như hợp nhất các đầu của cả đoạn bị cắt.

Bằng kỹ thuật mới, khi cắt một nhiễm sắc thể ra, họ sẽ có được hai chuỗi DNA tròn được bảo vệ khỏi endonuclease. Kỹ thuật có thể tạo ra các cặp nhiễm sắc thể tròn khác nhau trong các tế bào khác và sau đó các nhà nghiên cứu có thể hoán đổi nhiễm sắc thể theo ý muốn, cuối cùng chèn bất kỳ đoạn nào họ muốn vào bộ gen gốc.

Nói về những ứng dụng mới, ông Liu cho biết công cụ sẽ thúc đẩy cả ngành công nghiệp công nghệ sinh học phát triển. Ví dụ, nó sẽ giúp các nhà sinh học dễ dàng thay đổi mức độ protein mà vi khuẩn tạo ra.

Công cụ mới cũng hứa hẹn một cách dễ dàng để viết lại toàn bộ bộ gen của vi khuẩn, "theo hàng loạt" như cách nói của Meyer. Các nhà sinh học có thể thay đổi bộ gen của chúng để mã hóa không chỉ 20 axit amin sinh học của protein, mà còn cho vô số axit amin không tự nhiên trong toàn bộ gen. Điều này có thể dẫn đến các dạng sự sống tổng hợp mới, có khả năng tạo ra các phân tử vượt xa tầm với mà các sinh vật tự nhiên có thể làm được.