Crispr Có Thể Tăng Tốc Quá Trình Tự Nhiên—và Thay Đổi Cách Chúng Ta Trồng Trọt

Như bất kỳ người nông dân tự trọng nào, Zachary Lippman than phiền về thời tiết. Dáng vóc mạnh mẽ, với mái tóc và râu cắt ngắn, Lippman đứng trong một nhà kính ở trung tâm Long Island, bao quanh bởi một loạt các cây cỏ mạnh mẽ. “Đừng để tôi bắt đầu,” anh ta nói, nói về mùa xuân muộn và xấu. Là một ngày thứ Ba giữa tháng Tư, nhưng dự báo có khả năng có tuyết, và một cơn gió lạnh làm phiêu lưu qua hòn đảo. Không phải là thời tiết mà gợi lên ý nghĩ về cà chua mùa hè. Nhưng Lippman đang nghĩ đến khoảng Memorial Day, khi hàng nghìn cây cà chua được chăm sóc cẩn thận sẽ di chuyển từ nhà kính xuống đất Long Island. Anh ấy hy vọng thời tiết sẽ cuối cùng thay đổi.

Mặc dù anh đã làm việc trên một nông trại khi còn làm thiếu niên và có tình cảm lãng mạn với đất đai, Lippman không phải là một người nông dân. Anh ấy là một nhà sinh vật học cây ở Viện Cold Spring Harbor ở New York với chuyên môn về di truyền học và phát triển. Và những cây cà kính này không phải là cà chua thông thường.

Sau khi giới thiệu với tôi người bạn đồng hành không thay đổi của mình, Charlie (một chú chó Labrador-Rottweiler hết sức thân thiện), Lippman dắt tôi qua hàng trăm cây cỏ, được chăm sóc bởi nhiệt độ ban ngày 80 độ C và độ ẩm từ 40 đến 60 phần trăm, và được thúc đẩy vào 14 giờ lao động hấp thụ quang hợp hàng ngày bởi đèn natri áp lực cao phía trên. Một số là cây giống chỉ mới mọc lá phôi đầu tiên; những cây khác chỉ mới bắt đầu bắt gặp những bông hoa màu vàng đặc trưng, báo trước về quả sắp đến; những cây khác vừa chín, bắt đầu nhào lộn với trái cây đỏ chín.

Điều làm cho nhà kính này khác biệt—điều khiến nó có thể coi là trung tâm của một cuộc cách mạng trong sinh học thực vật có thể thay đổi mãi mãi không chỉ tương lai của cà chua mà còn là tương lai của nhiều loại cây trồng khác—là 90% cây cà chua trong tòa nhà đã được chỉnh sửa gen bằng công cụ chỉnh sửa gen mới mà mọi người gọi là Crispr/Cas-9. Lippman và Joyce Van Eck, đồng nghiệp lâu năm của ông tại Viện Boyce Thompson ở Ithaca, New York, là một phần của một đội quân nhỏ các nhà nghiên cứu sử dụng chỉnh sửa gen để biến cà chua thành chuột thí nghiệm của khoa học cây trồng. Trong nhà kính này, Crispr là một động từ, mỗi cây là một thí nghiệm, và đột biến không phải là một từ bẩn.

Lippman đi đến phía sau tòa nhà và chỉ vào một loại cà chua được biết đến với tên gọi Large Fruited Fresh Market—một trong những loại thương mại xuất hiện trong siêu thị, không phải chợ nông dân. Cây cà chua cụ thể này, khoảng hai tháng tuổi, cúi xuống với trái cây lớn, gần chín. Đó là, Lippman giải thích, một đột biến gọi là “không khớp.” Hầu hết các loại cà chua có một khúc thịt sưng lên (hoặc khớp) trên thân, ngay trên nơi quả phát triển; khi cà chua sẵn sàng, nó tự nói với bản thân mình, theo cách Lippman diễn đạt, “OK, tôi chín rồi—đến lúc rơi,” và các tế bào trong khớp nhận được một tín hiệu để chết, buông cà chua. Đó là cách tự nhiên để lan truyền hạt cà chua, nhưng khớp đã là một vấn đề khó khăn đối với sản xuất nông nghiệp, vì nó để lại một cuống dư thừa làm đâm thủy cơ quả cà chua thu hoạch bằng máy. Cà chua không khớp, với cuống có thể được nhặt sạch, đã được lai tạo và trồng thương mại, nhưng thường đi kèm với các tác động phụ không mong muốn; những phiên bản được chỉnh sửa gen này tránh được các hậu quả không dự kiến của lai tạo truyền thống. “Bây giờ chúng ta có thể sử dụng Crispr để tiếp cận trực tiếp gen đó cho các kéo cắt phân tử, dẫn đến một đột biến,” Lippman nói. “Voilà: đặc điểm không khớp trong bất kỳ loại nào bạn muốn.”

Chúng tôi chuyển sang một số ví dụ về Physalis pruinosa, một họ hàng của tomatillo sản xuất một loại quả nhỏ, ngon miệng gọi là cherry đất. Loại cây này chưa bao giờ được thuần hóa, và Lippman gọi phiên bản hoang dã là một “quái vật”: cao, lôi thôi và keo kiệt, chỉ đưa ra một quả nhỏ xíu cho mỗi nhánh. Bên cạnh đó là một cây Physalis sau khi các nhà khoa học đã gây ra một đột biến gọi là “tự cắt tự chăm sóc.” Nó chỉ còn nửa chiều cao, ít bụi hơn nhiều và tự hào với nửa tá quả cho mỗi nhánh. Lippman nhặt một quả cherry đất từ một trong những cây đột biến và đưa nó cho tôi.

“Hãy ngửi nó trước,” anh ấy nài nỉ. “Hãy tận hưởng mùi.” Nó là một mùi kỳ lạ và hơi nhiệt đới. Tôi đặt nó vào miệng và cắn vào một cảm giác hương vị phức tạp. Giống như tất cả các loại cà chua họ hàng, hương vị là một dải thời gian bí ẩn của đường và axit, được trang trí bởi hơi thoát ra của các hợp chất bay hơi mà mũi tôi cảm nhận và làm đầy đủ hương vị.

“Bạn vừa ăn một cây đã chỉnh sửa gen,” Lippman nói với một nụ cười. “Nhưng đừng lo lắng quá nhiều.”

Như đa số các nhà khoa học, Lippman coi cây biến đổi gen là an toàn để ăn. Nhưng nụ cười ranh mãnh của anh ấy thừa nhận rằng không phải ai cũng coi công nghệ này là vô hại. Có nhiều lo lắng về việc nghịch gen với các loại cây thực phẩm. Các loại cây biến đổi gen (GM) “chuyển gen” như ngô và đậu nành đã xâm nhập vào thực phẩm chế biến, thức ăn cho động vật và nhiên liệu sinh học từ nhiều năm nay, và cuộc chiến tranh xung quanh chúng đã lâu đã chia rẽ công dân ở Mỹ và nước ngoài. Cuộc cách mạng Crispr đang tái tạo, nếu không phải là làm tái cháy, cuộc tranh luận đó. Hầu hết các cây đã được chỉnh sửa gen cho đến nay đã được tạo ra bằng cách tắt gen (tức là đột biến chúng), không phải bằng cách đưa vào gen từ các loài không liên quan, như làm ở thế hệ chuyển gen đầu tiên thông thường—gây ra những lời kêu gọi “thực phẩm Franken” và lo ngại về ô nhiễm môi trường. Chính vì nó là sự trừ đi thay vì là sự cộng, các nhà khoa học lập luận rằng hình thức chỉnh sửa gen này mô phỏng quá trình đột biến do nông nghiệp gây ra, đặc trưng cho việc lai tạo thực phẩm truyền thống. Sự phân biệt này có thể không làm dịu lòng các nhà phê phán, nhưng có vẻ đã thuyết phục các cơ quan quản lý liên bang; cây đậu nành và khoai tây chỉnh sửa gen đã có mặt trên đất, và tháng ba vừa qua, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ tuyên bố rằng cây trồng phát triển với những đột biến chỉnh sửa gen là “không thể phân biệt” so với những cây được sản xuất bằng cách lai tạo truyền thống và “không yêu cầu giám sát quy định.”

Những câu hỏi lớn đối với tương lai thực phẩm—làm thế nào để nuôi 9 tỷ miệng, làm thế nào để trồng trọt trong thời kỳ bất chắc khí hậu chưa từng có, làm thế nào để tạo ra thực phẩm chống chịu và dinh dưỡng hơn cho một công chúng đang ngần ngại với công nghệ mới. Các nhà khoa học cây trồng đã sử dụng Crispr và các công nghệ liên quan để định hình lại cây trồng thực phẩm một cách ngoạn mục—chỉnh sửa lúa giảm gluten, chỉnh sửa đậu nành để sản xuất dầu khỏe mạnh hơn, chỉnh sửa ngô để tăng sản lượng, chỉnh sửa khoai tây để bảo quản tốt hơn (và không tạo ra chất gây ung thư khi nấu chín). Cả ở các phòng thí nghiệm công nghiệp và học thuật, các công cụ chỉnh sửa mới đang được phát triển sẽ có ảnh hưởng sâu sắc đến thực phẩm mà tất cả chúng ta ăn. Tuy nhiên, quyền lực mới này để biến đổi các đặc điểm thực phẩm xảy ra trong một khoảnh khắc khi ngành nông nghiệp đã sáp nhập thành bản chất là ba siêu tập đoàn. Những công ty đó có tiền để sử dụng công nghệ mới này. Câu hỏi là: Họ sẽ sử dụng nó với mục đích gì?

Đậu nành, khoai tây và ngô tan biến vào chuỗi thức ăn một cách tàng hình, nhưng cà chua đặt dấu chấm than đỏ lớn cho cuộc tranh luận hiện tại. Có lẽ không có loại cây thực phẩm nào mô phỏng được nhiều như cái gì đang đặt ra—về mặt nông nghiệp, sinh học, văn hóa và có lẽ là cách làm thức ăn tại nhà—hơn là cà chua: nữ hoàng của chợ nông dân, ngọc lựa của vườn sau nhà, rau củ vương giả của những người ưa chuộng địa phương ở mọi nơi. Nhà kính của Lippman chỉ ra một số cách mà chỉnh sửa gen đã thay đổi cà chua—anh ấy có những cây hoa sớm hơn, không để ý đến tín hiệu ánh sáng ban ngày, tự cắt tự chăm sóc để tạo ra dấu chân nhỏ hơn, có thể được lập trình gen để làm cho vị trí trái cây trên cành giống như một cái đàn bầu.

Đối với những người yêu thích ăn hoặc trồng cà chua (tôi làm cả hai), sự xuất hiện của Crispr gây ra cảm giác của sự nghi ngờ và niềm hy vọng phấn khích về tương lai của loại rau ưa thích của chúng tôi. Nghi ngờ vì hầu hết các nỗ lực khoa học thực tế sẽ duy trì hương vị buồn tẻ của cà chua được sản xuất thương mại. Một khía cạnh, điều này chỉ là sự chinh phục mới nhất trong cuộc chinh phục khu vực trưng bày hàng hóa của sự mong đợi từ phía những người trồng cây thực phẩm, họ đánh giá cao sự tăng cường hiệu suất với chi phí thấp hơn, hơn là mong muốn từ phía người tiêu dùng, họ trân trọng hương vị và dinh dưỡng. (Harry Klee, chuyên gia về cà chua tại Đại học Florida, nói rằng cà chua hoàn hảo cho ngành công nghiệp là một chiếc cà chua có kích thước chính xác như một bánh hamburger của McDonald's.) Niềm hy vọng vì có điều gì đó hấp dẫn khi sử dụng công nghệ mới để bảo tồn hương vị lạc quan, chua ngọt của một chiếc cà chua thơm ngon trong một cây chống chịu bệnh tốt hơn, một chiếc cà chua thơm ngon thơm ngon—thực sự là một phiên bản thơm ngon hơn nếu bạn muốn.

Sau khi Lippman dẫn tôi qua khu vườn của anh ấy với những đột biến do con người tạo ra, tôi không thể kiềm chế được việc hỏi liệu những giống cổ điển mà tôi cố gắng trồng mỗi năm có thể cũng được hưởng lợi từ bút kéo Crispr không.

“Chúng tôi chưa chỉnh sửa gen cho các giống cổ điển,” Lippman nói. “Chưa đâu. Nhưng nó đang được thực hiện. Chúng có thể hưởng lợi từ một chút chỉnh sửa.”

Đây là một câu chuyện về cà chua, tất nhiên. Nhưng cũng giống như tất cả những câu chuyện về nông nghiệp, nó cũng là về những đột biến—đột biến “tự nhiên” và đột biến do con người tạo ra, đột biến âm thầm tàn phá và đột biến rõ ràng kinh khủng, những đột biến được tạo ra earlier năm nay tại Viện Sinh học Cold Spring Harbor và những đột biến có thể đã xảy ra 10,000 năm trước, như những đột biến đã biến Solanum pimpinellifolium từ một loại cây dại rối bời sản xuất trái nhỏ như hạt đậu dọc theo bờ biển Thái Bình Dương của Peru và Ecuador thành những giống cổ điển lớn và đẹp mắt trong khu vườn sau nhà bạn. Từ điển văn hóa của chúng ta đã thu gọn từ “đột biến” thành một từ chỉ trích, nhưng nếu bạn nghĩ “đột biến” là một từ tục tự, bạn có thể nên dừng đọc—và có lẽ nên dừng ăn thực phẩm dựa trên thực vật nữa. Nguyên tắc cơ bản của việc lai tạo thực vật là tận dụng sự biến đổi gen, cho dù đột biến được gây ra bởi ánh sáng mặt trời, tia X, hay Crispr. Như Klee nói, “không có một loại cây trồng nào tôi biết trong ngăn thực phẩm của bạn mà không bị biến đổi đáng kể so với những thứ ở ngoại ô.”

Mỗi người trồng vườn sau nhà đều là người sành về đột biến, có ý thức hoặc không ý thức. Sự tươi mới đậm đặc và da mỏng của Brandywines, sự hổ phách ánh vàng của Jaune Flamme, đôi vai màu xanh rờn rợn của Black Krims, và lựa chọn cá nhân của tôi, Rose de Berne, với sự hồng hào và hương vị tuyệt vời—tất cả những giống cổ điển đó là sản phẩm của những đột biến được kế thừa từ lâu.

Mỗi mùa xuân, hầu như tất nhiên vào thời kỳ Quốc Nội (năm nay, trong trận đấu Villanova-Michigan), tôi đưa xuống sàn nhà một đống chậu mè và đất nhẫn và lóe bài hạt giống của tất cả những loại trên vào đất mà chưa từng gặp. Vợ tôi tự hỏi tại sao tôi không thể mua cây giống tại chợ như mọi người khác, nhưng tôi chưa bao giờ vượt qua được cảm giác hồi tưởng như một đứa trẻ khi nhìn thấy một đoạn nhỏ của ADN cây, được bọc trong lớp vỏ hạt cứng như vỏ cây, mở ra thành một cây cao 5 feet cho đến khi cây đưa ra sản phẩm tuyệt vời của nó. Những người trồng vườn—những nhà sinh học DIY nguyên bản—đều biết niềm hứng thú này. Và Lippman cũng biết. Đó là cách anh ấy bắt đầu chỉnh sửa gen cà chua từ đầu.

Lippman lớn lên ở Milford, Connecticut; cha anh là một giáo viên tiếng Anh và mẹ anh làm việc trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Trong những kí ức sớm nhất của anh là việc thăm một trang trại gần đó với cha anh khi anh ấy 6 hoặc 7 tuổi và nhặt những quả bí ngô và quả bí ngô còn lại sau Halloween—với hình dáng và màu sắc độc đáo—trải rải trên cánh đồng.

Trường bí ngô đó là một phần của Nông trại Robert Treat, và khi anh ấy 13 tuổi, Lippman bắt đầu làm việc vào mùa hè ở đó, nuôi dưỡng sự mê mải với cây cỏ của mình. Đến khi anh ấy tốt nghiệp trung học vào năm 1996, anh ấy đã quyết định theo đuổi ngành lai tạo và di truyền thực vật, đầu tiên tại Đại học Cornell và sau đó tại Cold Spring Harbor, nơi anh ấy nhận bằng tiến sĩ và hiện là một nhà nghiên cứu Viện Y học Howard Hughes.

Văn phòng của Lippman là một ngôi đền tôn thờ cà chua: Trên tường của anh ấy là những nhãn lon cà chua cũ và bưu thiếp cổ về những quả cà chua khổng lồ khó tin, và hàng ngàn phong bì nâu chứa hạt giống, mỗi cái được đánh dấu theo năm và loại, được xếp chồng lên bàn làm việc của anh ấy, trong hộp giống cũ, trong khay gỗ và tủ nhựa dựa vào tường. Đạo diễn có vẻ có ý nghĩa nhất nằm ngay sau cửa: một bản sao lớn được đóng khung từ cuốn sách thế kỷ 16 của Pietro Andrea Mattioli, được cho là hình ảnh màu sắc sớm nhất về cà chua sau khi Tây Ban Nha chinh phục châu Mỹ. Đối với một nhà di truyền học như Lipp­man, bản in Mattioli có ý nghĩa đặc biệt vì nó là bằng chứng sớm rằng văn hóa tiền Columbian đã biết về một đột biến cà chua có lợi khi họ nhìn thấy nó—họ đã chuyển đổi từ quả nhỏ của trái cây hoang dã thành một bife-golden lớn với nhiều thùy.

Cho đến những năm 1930, các nhà khoa học nông nghiệp về cơ bản đã phụ thuộc vào các kỹ thuật giống như những người nông dân cà chua gốc ở Trung Mỹ: Hãy kiên nhẫn chờ đợi tự nhiên tạo ra một đột biến hữu ích, thông minh đủ để nhận ra đặc điểm mong muốn đó (trái cây lớn hơn, ví dụ), và thông minh đủ để tạo ra một loại mới với đặc điểm đó bằng cách chọn lọc các dòng đột biến và phát tán chúng. Nói cách khác, nông nghiệp luôn luôn xoay quanh việc chọn lọc không tự nhiên—lựa chọn của con người ưa thích một số đột biến trong khi loại bỏ những đột biến khác. Các nhà sinh học đã tăng tốc quá trình này vào khoảng thời gian của Chiến tranh thế giới thứ hai bằng cách cố ý tạo ra các đột biến ngẫu nhiên trong hạt giống bằng cách sử dụng hóa chất, tia X và các hình thức bức xạ khác. Nhưng thậm chí như vậy, quá trình này cũng chậm rãi. Việc chọn lọc các đặc điểm mong muốn có thể mất một thập kỷ dễ dàng.

Mọi thứ bắt đầu thay đổi vào năm 2012, một năm kỳ diệu cho cà chua. Vào tháng 5 của năm đó, các nhà di truyền thực vật hoàn thành Dự án Gen cà chua—toàn bộ chuỗi DNA của cây cà chua, tất cả 900 triệu cặp cơ sở trên 12 nhiễm. Sau đó, vào tháng 6, một nhóm do Jennifer Doudna tại Đại học California, Berkeley, dẫn dắt đã công bố báo cáo đầu tiên về kỹ thuật chỉnh sửa gen mới được biết đến là Crispr, sau đó là một nhóm tại Viện Broad của MIT và Harvard. Quả của hai dòng nghiên cứu hội tụ này—và, đúng như nói về mặt thực vật, cà chua là một loại quả—là cuộc đua giữa các nhà khoa học để xem liệu kỹ thuật mới có hoạt động trên thực vật hay không.

Ngay khi tin đồn về Crispr trở nên lan truyền, Lippman tự hỏi, “Chúng ta có thể làm được điều này trên cà chua không? Và nếu có, hãy tiến.” Tiến nhanh có nghĩa là thực hiện một thí nghiệm trên một gen cà chua sẽ chứng minh hiệu suất của Crispr mà không mất quá nhiều thời gian. Gen nào Lippman và Van Eck đã chọn? Không phải là gen nào sẽ cải thiện kích thước hoặc hình dạng của trái cây—điều đó sẽ mất quá nhiều thời gian, và Van Eck không kiên nhẫn. “Tôi không muốn phải đặt nó trong nhà kính và đợi cho nó phát triển,” cô ấy nói với Lippman. “Tôi muốn có thể nhìn thấy điều gì đó trong đĩa petri.” Vì vậy, họ chọn một gen không có ý nghĩa kinh tế và ít hấp dẫn với người tiêu dùng. Đó là một gen kỳ cục mà, khi biến đổi, tạo ra lá cà chua bị biến dạng giống như kim. Phiên bản đột biến được gọi là “gai.”

Đột biến gai làm cho Van Eck phải đào một bài báo từ năm 1928 mô tả nó lần đầu tiên để biết cô sẽ tìm kiếm cái gì. Mỗi đột biến được hướng dẫn bằng Crispr đều đòi hỏi một công cụ được tùy chỉnh gen kỹ thuật số được gọi là “cấu trúc”—một RNA hướng dẫn để nhắm đến gen cà chua đúng và một enzyme đi cùng để cắt DNA cây ở chính xác vị trí đó. Trong trường hợp này, Lippman thiết kế cấu trúc để nhắm đến gen gai và cắt nó; đột biến không được tạo ra bởi Crispr chính mà là do cây khi cố gắng sửa chữa vết thương. Van Eck sử dụng một loại vi khuẩn rất tốt trong việc nhiễm bệnh cây để mang công cụ đột biến Crispr vào bên trong tế bào cà chua. Khi biến đổi, những tế bào này đã được phát tán lên đĩa petri nơi chúng bắt đầu phát triển thành cây. Van Eck vẫn phải đợi khoảng hai tháng trước khi các tế bào cà chua phát triển thành cây mầm và nảy mầm lá, nhưng đó là đợi đến đáng giá.

“Tôi vẫn nhớ khi tôi nhìn thấy những chiếc lá đầu tiên nảy lên,” cô nhớ lại. Những chiếc lá đã “bị biến dạng”—cuộn tròn thành hình dạng giống như kim. “Ôi Chúa ơi, nó hoạt động!” cô hét lên và lao xuống các hành lang của viện để nói cho bất kỳ ai lắng nghe. “Tôi rất phấn khích vì, bạn biết, khi mà điều gì đó hoạt động ngay từ lần đầu tiên khi nào?”

Không chỉ họ đã chứng minh được rằng Crispr có thể tạo ra một biến đổi di truyền có thể kế thừa trong một loại cây trái, họ cũng có câu trả lời của họ trong vòng hai tháng thay vì một năm. Họ biết rằng quy trình cơ bản tương tự có thể được sử dụng lý thuyết để chỉnh sửa, với độ chính xác tuyệt vời và tốc độ chưa từng có, bất kỳ gen nào trong bất kỳ loại cây thực phẩm.

Ngay khi họ biết nó hoạt động, Lippman và Van Eck bắt đầu Crispring mọi đặc điểm họ muốn nghiên cứu suốt 15 năm qua. Một trong số đó là không nối. Trong 60 năm qua, các nhà nghiên cứu đã cố gắng giải quyết vấn đề của khớp trên thân cây cà chua. Canh tác lớn cà chua—chỉ riêng California đã sản xuất hơn 10 triệu tấn mỗi năm—đòi hỏi thu hoạch cơ khí, và những cây cà chua có khớp làm nhiệm vụ trở nên khó khăn và lãng phí hơn. Lippman, người nghiên cứu kiến trúc cây, biết rằng nhiều cây cà chua không nối tạo ra nhiều nhánh và hiệu suất thấp. Anh ta phát hiện ra rằng hậu quả không mong muốn này là kết quả của lai tạo truyền thống: Khi những người lai tạo ưa thích đột biến không nối, họ không biết rằng họ đã tạo ra nhánh không mong muốn vì tương tác phức tạp giữa không nối và một đột biến cổ điển khác. La tạo truyền thống tạo ra một tác dụng phụ khác—cà chua hình dạng bất thường—vì quá trình chọn lựa đặc điểm không nối kéo theo một đoạn DNA với đột biến không mong muốn. (Hiện tượng này được biết đến là kéo liên kết.)

Nếu Lippman có thể Crispr đến đột biến không nối mà không kéo theo những ảnh hưởng có hại liên quan đến lai tạo truyền thống, nó sẽ mang lại một bước tiến quan trọng cho người trồng trọt. Anh ta và Van Eck phải đợi lâu hơn so với lá mũi kim của wiry, nhưng đến tháng 3 năm 2016, Lippman đã có cà chua không nối phát triển trong nhà kính của mình. Họ đã công bố công việc này trên tạp chí Cell vào mùa xuân năm 2017, và Lippman chia sẻ công cụ chỉnh sửa gen với Klee tại Đại học Florida. Tháng ba năm ngoái, Klee và đội ngũ của anh ta trồng một mảnh đất của những sinh thái không nối được chỉnh sửa gen, trong một loại thương mại được gọi là Florida 8059, trên một cánh đồng thử nghiệm ở phía bắc Gainesville.

Kiểm tra hiện thực nhanh: Mặc dù có nhiều sự hào nhoáng về cuộc cách mạng chỉnh sửa gen, những năm gần đây đã tiết lộ những hạn chế cũng như những thành công. Các nhà khoa học sẽ nói với bạn rằng Crispr tuyệt vời trong việc “tắt” một gen. Nhưng việc sử dụng nó để chèn một gen mới và, như nhiều thông tin phổ biến gợi ý, “viết lại” khối sinh dục của người, thú, hoặc cây cỏ? Không dễ dàng như vậy. “Crispr không phải là tất cả và kết cục,” Dan Voytas của Đại học Minnesota, một trong những người tiên phong trong chỉnh sửa gen nông nghiệp, nói. Hơn nữa, bộ gen phức tạp, ngay cả ở cây cỏ. Nhưng như mười hai núm trên bảng trộn stereo có thể tạo hình âm thanh tổng thể của một bài hát duy nhất, nhiều yếu tố gen có thể kiểm soát tác động của một gen duy nhất.

Độ phức tạp đáng sợ này đã thúc đẩy phòng thí nghiệm của Lippman theo đuổi một biến thể thông minh trên chỉnh sửa gen. “Tôi nhớ có một tờ ghi chú dính ở đây,” Lippman nói, chỉ vào bàn phím của mình. Tờ ghi chú đơn giản chỉ viết: “Promoter CRISPR.”

Ở cả cây cỏ và động vật (và con người), có một phần của DNA nằm ngoài đoạn mã hóa protein của gen và cơ bản điều chỉnh đầu ra của nó. Miếng đất DNA điều chỉnh này phía trước của gen được gọi là promoter, và nó thiết lập các mức đầu ra khác nhau—âm lượng, nếu bạn muốn—cho các gen cụ thể, từ ít đến nhiều. Đội ngũ của Lippman hỏi, nếu bạn có thể sử dụng Crispr để, theo một cách nào đó, điều chỉnh âm lượng của một gen cụ thể, làm tăng hoặc giảm như một núm stereo, thông qua đột biến promoter ở các vị trí khác nhau?

Hiện tại, nhà kính Long Island đang đầy ắp ví dụ về những gì sẽ xảy ra. Như họ đã báo cáo trên Cell vào tháng 10 năm trước, Daniel Rodríguez-­Leal và đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm của Lippman đã chỉ ra rằng, bằng cách đột biến promoter của gen tự tỉa ở các vị trí khác nhau, họ có thể điều chỉnh đầu ra của nó như một công tắc hắt sáng, tạo ra những thay đổi tinh tế nhưng quan trọng. Bằng cách sử dụng Crispr để tạo ra các liều lượng khác nhau của một gen, Lippman nói, các nhà khoa học có thể tìm ra các phiên bản “tốt hơn” của cây cỏ mà tự nhiên chưa bao giờ cung cấp.

Nhưng tốt hơn cho ai? Một trong những cụm từ yêu thích của Lippman là “vị trí ngọt”—điểm cân bằng genet học nơi những đặc điểm mong muốn cho nông nghiệp có thể được cải thiện mà không cần phải hy sinh các đặc điểm quan trọng như hương vị hoặc hình dạng. “Bây giờ chúng ta có thể bắt đầu nghĩ về việc lấy một số giống cà chua tốt nhất của chúng ta, và nếu chúng có thể nở hoa nhanh hơn, bạn có thể bắt đầu trồng chúng ở các vĩ độ bắc hơn, nơi mùa hè ngắn hơn,” ông nói. “Chúng ta có thể bắt đầu tưởng tượng về các loại cây mới, hoặc các phiên bản mới của các loại cây hiện tại, cho nông nghiệp đô thị, như trồng tầng mà họ có trong những kho hàng bỏ hoang... Điều chỉnh cây cỏ sao cho nó gọn gàng hơn, nở hoa nhanh hơn, mang lại trái cây kích thước đẹp với mức thu hoạch khá, trong môi trường phát triển được nén, với đồng nghĩa với nông nghiệp bảo vệ—điều kiện nhà kính—nhưng với đèn LED.” Bởi vì mỗi gen của cây cỏ đều đi kèm với promoter của nó, “điều chỉnh” gen học này, như Lippman nói, có thể áp dụng cho gần như mọi loại rau củ.

Điều chỉnh chỉ là một trong nhiều cách mà các nhà sinh học đang tái tạo loại cà chua. Năm ngoái, các nhà nghiên cứu tại Sainsbury Laboratory ở Anh đã chỉnh sửa gen của một loại cà chua có tên là Moneymaker để chống lại nấm mốc trắng, và một nhóm nghiên cứu Nhật Bản gần đây đã tạo ra cà chua không hạt. Trong ngày tháng 5 khi tôi đặt cây mầm thơm ngon đầu tiên của mình vào đất, tôi tình cờ có cuộc trò chuyện qua Skype với hai nhà sinh học thực vật ở Brazil đã đưa việc chỉnh sửa gen của cà chua lên một tầm cao mới. Hợp tác với phòng thí nghiệm Voytas tại Đại học Minnesota, Agustin Zsögön của Đại học Viçosa và Lázaro Peres của Đại học São Paulo tuyên bố đã, theo bản chất, “kỹ thuật ngược”—mô phỏng cây cỏ hoang dại giống như cà chua tin rằng là bổ trợ của tất cả các loại cây được trồng. (Họ chưa công bố công việc này đến nay, nhưng đã thảo luận nó tại các cuộc họp.) Thay vì chỉnh sửa một loại cà chua thuần túy, họ quay trở lại điểm xuất phát—cây cỏ hoang dại—và sử dụng Crispr để loại bỏ một số gen cùng một lúc. Kết quả? Nơi cây cỏ hoang dại bò và nhợt nhạt, cà chua chỉnh sửa gen trở nên gọn gàng và rậm rạp; nơi cây cỏ bổ trợ có trái nhỏ như hạt đậu, phiên bản chỉnh sửa gen có cà chua có kích thước hợp lý, như trái cherry. Quả chỉnh sửa cũng chứa nhiều lycopene, một chất chống oxy hóa quan trọng, hơn bất kỳ loại cà chua đã biết khác. Quá trình này được gọi là “de novo thuần hóa.”

“Chúng tôi không chuyển từ kích thước hạt đậu thành kích thước bò sát, nhưng chúng tôi đã chuyển từ kích thước hạt đậu thành kích thước cherry,” Zsögön nói về lần thử nghiệm đầu tiên này. Và cà chua có vị thế nào? “Chúng có vị rất ngon!” Peres khẳng định. Theo một hướng tương tự, Lippman và Van Eck đang thuần hóa loại cỏ dại trong hy vọng nó có thể gia nhập dâu và dâu tây để trở thành một trong những loại cây berry cơ bản.

Điều làm cho phương pháp de novo thú vị là nó tận dụng toàn bộ “sự khôn ngoan” thực vật đã tích luỹ của một loại cây hoang dã. Qua hàng ngàn năm tiến hóa, một loài hoang dã có được những đặc điểm về sự mạnh mẽ và sự chống chịu, như sự kháng bệnh và chống căng thẳng. Quá trình thuần hóa loại bỏ một số đặc điểm đó. Vì những đặc điểm kháng chống thường liên quan đến một bộ gen, Peres nói, chúng sẽ rất khó để giới thiệu vào cà chua đã thuần hóa, qua Crispr hoặc bất kỳ công nghệ nào khác. Và phương pháp này có thể tận dụng những đặc điểm cực kỳ khác biệt khác. Peres muốn “thuần hóa” một loài dại từ quần đảo Galapagos, có thể chịu được điều kiện môi trường cực kỳ như độ mặn cao và hạn hán—những đặc điểm có thể nâng cao an ninh lương thực trong tương lai với biến đổi khí hậu khổng lồ.

Nhiệt độ tăng cao. Thay đổi mùa vụ. Dân số toàn cầu tăng. Tác động môi trường của việc sử dụng quá mức thuốc trừ cỏ. Điều gì nếu chỉnh sửa gen, ví dụ, có thể ưu tiên các gen chống bệnh giảm sử dụng thuốc trừ cỏ?  Lippman hỏi. “Đó không chỉ là cung cấp thức ăn cho thế giới, mà còn là bảo vệ hành tinh.”

Tất cả những nghiên cứu mới về thực vật—loại bỏ gen, chỉnh âm của bộ gen quảng cáo, thuần hóa de novo—đều rất sáng tạo và diễn ra rất nhanh chóng. Nhưng sớm hay muộn, câu hỏi khác đặt ra trong cuộc trò chuyện. Người tiêu dùng có muốn ăn những quả cà chua này không? Liệu rau củ và ngũ cốc Crispr đơn giản chỉ là “GMO mới,” như nhiều tổ chức môi trường khẳng định, hay các loại cây chỉnh sửa gen có bản chất khác biệt? “Đây là sự bắt đầu của cuộc trò chuyện mới,” Lippman nói.

Cuộc trò chuyện cũ là một cuộc tranh cãi và đầy cảm xúc. Thực phẩm biến đổi gen ban đầu mà Monsanto giới thiệu vào những năm 1990 là “chuyển gen,” có nghĩa là các nhà sinh học đã sử dụng kỹ thuật kỹ thuật gen để đưa DNA ngoại lai, từ một loài không liên quan, vào cây. Chỉnh sửa gen có sự tương đồng nhiều hơn với các dạng biến đổi cũ như tác động của tia X và hóa chất, mặc dù ít rải rác hơn nhiều. Thay vì tạo ra những biến đổi ngẫu nhiên, Crispr nhắm vào các gen cụ thể. (Chỉnh sửa nhầm mục tiêu là có thể, mặc dù Lippman chưa phát hiện thấy bất kỳ trong công việc của mình.) Đó là lý do tại sao các nhà khoa học cây trồng đã háo hức sử dụng nó, và tại sao USDA coi các đột biến gen chỉnh sửa như tương tự như các tác nhân gây đột biến trước đây và do đó không yêu cầu quy định đặc biệt. (Trong trường hợp “chuyển vào,” hoặc thêm vào, một gen cho cây trồng, USDA đã chỉ ra rằng nó sẽ đánh giá từng trường hợp một.) Một số quốc gia châu Âu đã cấm GMO, và Liên minh châu Âu vẫn chưa đưa ra quyết định cuối cùng về cây chỉnh sửa gen.

Mặc dù nhiều nghiên cứu đã không chỉ ra rằng GMO có đe dọa đối với sức khỏe con người, nghi ngờ từ công blic vẫn còn—một cuộc khảo sát của Trung tâm Nghiên cứu Pew vào năm 2016 cho thấy rằng 39% người Mỹ tin rằng thực phẩm biến đổi gen không lành mạnh bằng thực phẩm không biến đổi gen, và trong gia đình anh, Lippman thừa nhận, vợ anh ban đầu thậm chí không muốn ăn cà chua chỉnh sửa gen của anh.

Có những lý do khác mà thực phẩm được biến đổi gen vẫn tiếp tục gây nghi ngờ. Nỗ lực biến đổi gen ban đầu của Monsanto sử dụng một công nghệ đột phá không phải để tạo ra thực phẩm lành mạnh hơn hoặc bền vững với môi trường, mà là để truyền khả năng chống lại thuốc trừ cỏ độc quyền của công ty, Roundup. Sự quảng bá mạnh mẽ của công ty đối với sản phẩm đầu tiên tự phục vụ như vậy đã được xem xét như một thảm họa về quan hệ công chúng.

Các doanh nghiệp nông nghiệp lớn đang chuẩn bị để tận dụng công nghệ chỉnh gen. Một loạt các sáp nhập gần đây đã tạo ra ba tập đoàn đa quốc gia lớn trong nông nghiệp toàn cầu: Bayer (hoàn thành việc mua lại Monsanto năm nay), DowDuPont (theo sau sáp nhập trước đây của Dupont với Dow Chemical) và Syngenta (đã được công ty chỉnh gen Trung Quốc lớn ChemChina mua lại năm ngoái). Vấn đề về sở hữu trí tuệ có thể phức tạp hơn cả gen cây trồng. Cả Viện Broad và DuPont Pioneer đều giữ các bằng sáng chế cơ bản về Crispr áp dụng cho nông nghiệp, và hai tổ chức này đã hợp tác vào mùa thu năm ngoái để đàm phán cùng nhau về giấy phép cho các ứng dụng nông nghiệp (cả ba doanh nghiệp nông nghiệp lớn đều đã mua bản quyền công nghệ). Theo nguồn tin nông nghiệp, quyền sử dụng Crispr cho nông nghiệp thương mại đòi hỏi một khoản phí ban đầu, thanh toán bản quyền hàng năm trên doanh số bán hàng và các điều kiện khác. (Viện Broad không thảo luận về các điều khoản cấp phép, chỉ nói rằng nó không tham gia vào việc phát triển sản phẩm.)

Đây là nơi chỉnh gen đối mặt với nền kinh tế khắc nghiệt của nông nghiệp. Các nhà khoa học học thuật có thể tiến hành nghiên cứu cơ bản với Crispr mà không phải trả phí cấp phép. Nhưng đó là giới hạn. “Tôi không thể phát triển sản phẩm và bắt đầu bán chúng”, Lippman nói. Phát triển thương mại đòi hỏi thanh toán một khoản phí cấp phép - một chi phí mà các công ty nông nghiệp có túi tiền sẽ dễ dàng chịu hơn.

Có một số công ty sinh học nhỏ đang cố gắng vượt qua các công ty lớn và những rắc rối về sở hữu trí tuệ. Calyxt, một công ty có trụ sở tại Minnesota được sáng lập bởi Voytas, đã nhận được sự chấp thuận của USDA để trồng một số loại cây bằng một công nghệ chỉnh gen trước đó và khó sử dụng hơn được biết đến là TALENs. Lippman tư vấn cho một công ty khởi nghiệp tại Massachusetts có tên Inari. Benson Hill Biosystems, có trụ sở tại St. Louis, đã đang nỗ lực cải thiện năng suất cây trồng bằng cách sử dụng bộ kéo cắt gen mới được công ty gọi là Crispr 3.0. Nhưng Giám đốc điều hành Matthew Crisp (vâng, đó là tên của anh ấy) cho rằng sự đổi mới đang bị kiềm chế bởi một cảnh quan sở hữu trí tuệ là “rất rối.” Đối tác và người xin giấy phép tiềm năng của Benson Hill, theo ông nói, đã phàn nàn rằng quyền thương mại đối với công nghệ chỉnh gen Crispr là “quá đắt đỏ, quá phức tạp hoặc quá không chắc chắn.” Việc phát hiện ra các enzym chỉnh gen mới và các đổi mới khác có thể làm phức tạp thêm cảnh quan bằng sáng chế hơn nữa. Như một nguồn tin nói, “Đó là một tình hình lộn xộn. Và nó chỉ sẽ trở nên tồi tệ hơn thôi.”

Trong chuyến tham quan nhà kính của mình, Lippman tạm dừng ở một điểm để bày tỏ sự chế nhạo thân thiện đối với những giống cà chua truyền thống. Anh ấy thừa nhận đó là những quả cà chua tuyệt vời, nhưng "khá tệ về việc sản xuất." Từ trải nghiệm cá nhân, tôi có thể xác nhận rằng những giống cà chua truyền thống là những cây cây cảnh khó tính và sản xuất ít, với hệ thống miễn dịch tệ—trên hết, chúng là những kẻ gây thất vọng, ít nhất là trong khu vườn. Chúng bắt đầu như Usain Bolt trong cuộc đua 100 mét và kết thúc trông như đã mệt, co rút, bị què với mọi dạng cây sâu và nấm và sâu bệnh, lá chùm như tấm giấy đám tang nâu. Có lẽ nghĩ đến việc sử dụng công cụ gen mới để cải thiện chúng là điều hấp dẫn. Klee "rất lo lắng muốn giới thiệu chỉnh sửa gen vào khu vườn gia đình." Anh ấy nghĩ rằng người trồng như tôi có thể là nơi để bảo vệ rằng cà chua được chỉnh sửa gen không phải là GMOs.

"Nhưng nếu tôi có thể mang lại cho bạn một loại Brandywine có lycopene cao, thời hạn bảo quản lâu hơn và là một cây cây cảnh nhỏ gọn hơn?" Klee hỏi tôi. "Tôi có thể làm tất cả những điều đó ngay hôm nay, bằng cách loại bỏ gen và chỉnh sửa gen. Và tôi có thể mang lại cho bạn cái gì đó gần như giống nhau với Brandywine mà chỉ cao bằng một nửa và có trái cây không mềm trong vòng chưa đầy một ngày, và màu đỏ sâu với lycopene cao. Ý kiến của bạn là gì?"

"Chắc chắn!" Tôi nói với anh ấy.

"Tôi nghĩ hầu hết mọi người sẽ trồng cây đó," anh ấy trả lời. "Tôi nghĩ đây có thể là một cơ hội lớn để giáo dục người trồng cây gia đình về điều gì là toàn bộ quá trình lai tạo cây."

Không phải ai cũng đồng ý với Klee (hoặc tôi). Voytas, một người tiên phong trong chỉnh sửa gen cây cảnh khi tôi hỏi anh ấy về một giống cà chua truyền thống được chỉnh sửa gen, anh ấy cười. "Bạn biết đấy, một phần là, chúng là truyền thống," anh ấy nói. "Tên gọi ngụ ý ngay từ đầu rằng đây là một điều có giá trị từ quá khứ. Không phải là điều mới và công nghệ." Hơn nữa, anh ấy nhắc nhở tôi về các khoản phí cấp phép "khá kỳ quặc" cho công nghệ chỉnh sửa gen. "Vì vậy, ý tưởng cà chua truyền thống của bạn sẽ không bao giờ đủ có lợi tài chính để trả các khoản phí cấp phép cần thiết."

Điều quan trọng nhất: Có lẽ cà chua được chỉnh sửa gen sẽ sớm có mặt trên thị trường. Nhưng cà chua có hương vị ngon hơn? Có lẽ sẽ không xảy ra trong thời gian sớm nhất.

Vào đầu tháng 6, Zach Lippman quay trở lại với vai trò là một nông dân. Trong một ngày đầu tiên dường như là nắng, anh ấy và mười đồng nghiệp bắt đầu làm đôi bàn tay bẩn bựa chuyển gần 8,000 cây cà chua được chỉnh sửa gen vào một cánh đồng ngoại ô trên đất Viện Cold Spring Harbor. Có rất nhiều những biến đổi quen thuộc - không có đốt, tự tỉa, không phản ứng với ánh sáng ban ngày. (Việc trồng ngoại ô đòi hỏi sự chấp thuận trước đó từ USDA.) "Trồng sâu vào!" anh ấy hô, khi đám công nhân đua nhau để đưa cây giống cà chua vào đất dưới bầu trời đang đen bóng đột ngột.

Số phận cuối cùng của cà chua được chỉnh sửa gen không thể dự đoán được giống như thời tiết, nhưng số phận của những quả cà chua cụ thể này ít khi là một bí ẩn. Lippman thường xuyên mang chúng về nhà. "Tôi đã ăn rất nhiều quả cà chua được chỉnh sửa gen, đúng," anh ấy cười. (Không ngạc nhiên, anh ấy thấy "hoàn toàn không có gì" khác biệt về chúng.) "Chúng không phải là GMO," anh ấy khẳng định. "Chỉ là bạn có được những gì giống như một biến đổi tự nhiên. Vậy tại sao không ăn nó? Đó chỉ là một trong hàng nghìn hoặc triệu biến đổi có thể ảnh hưởng hoặc không đến sức khỏe của cây... và chúng ta vẫn đang ăn chúng!

Stephen S. Hall là tác giả của sáu cuốn sách và giảng dạy viết về khoa học tại Đại học New York.

Bài viết này xuất hiện trong số tháng 8. Đăng ký ngay bây giờ.

Nghe câu chuyện này và các tính năng MYTOUR khác, trên ứng dụng Audm

• Một sự chuyển đổi pháp lý địa điểm mở hộp Pandora cho súng DIY
• Làm thế nào để xem mọi thứ mà ứng dụng của bạn được phép làm
• Một nhà thiên văn giải thích về lỗ đen ở 5 cấp độ khó khăn
• Đồ dùng chuẩn bị bữa ăn ngon cho người sành ăn tại khu cắm trại
• Làm thế nào tư duy khởi nghiệp đã thất bại đối với trẻ em ở San Francisco
• Bạn đang tìm kiếm thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và không bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi