Nhà Khoa học Điều Chỉnh Gen để Chiến Đấu chống Làm Hỏng Mùa Vụ

Vào năm 2008, một loài ruồi trái cây được biết đến với tên gọi là drosophila có vết đốm đã từ Đông Nam Á lan sang lục địa Hoa Kỳ, có thể đã đi cùng với lô hàng trái cây. Được phát hiện lần đầu tiên tại các cánh đồng dâu tây ở California, loài côn trùng này nhanh chóng lan rộng sang các tiểu bang khác.

Khác với ruồi trái cây thông thường, thường được hấp dẫn bởi thức ăn thiu, ruồi drosophila có vết đốm ưa thích trái cây chín mọng, khỏe mạnh. Sử dụng một cơ quan hình ống răng cưa, cá thể cái cắt xẻ qua vỏ trái cây và đẻ trứng bên trong. Khi trứng nở, ấu trùng nảy sinh phá hủy mùa vụ. Côn trùng xâm nhập này gây thiệt hại hàng trăm triệu đô la mỗi năm. Để kiểm soát chúng, người trồng cây phải phụ thuộc vào thuốc trừ sâu giết côn trùng một cách không phân biệt, bao gồm cả côn trùng gây hại và côn trùng hữu ích. Nhưng các nhà khoa học đang nghiên cứu các giải pháp mới có thể thay thế hoặc ít nhất là giới hạn việc phun thuốc hóa học.

Tại những nhà kính ở Oregon tháng trước, các nhà nghiên cứu của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đã bắt đầu thử nghiệm một phương pháp như vậy: ruồi đực được trùng hợp gen. Những con côn trùng được chỉnh sửa gen, do công ty công nghệ sinh học Agragene có trụ sở tại St. Louis sản xuất, nhằm để kìm hãm số lượng ruồi hoang dã. Ý tưởng là nếu chúng được thả vào môi trường, những con đực đã được trùng hợp gen sẽ giao phối với cá thể cái hoang dã, dẫn đến một con đường vô sinh. “Chúng tôi nhìn nhận công nghệ này có thể cung cấp trái cây và rau quả khỏe mạnh mà không gây nhiều hại cho môi trường,” CEO của Agragene, Bryan Witherbee, cho biết.

Các nhà khoa học tại công ty đã sử dụng công cụ chỉnh sửa DNA Crispr để vô hiệu hóa hai gen cần thiết trong phôi ruồi—một gen liên quan đến sinh sản của đực và một gen khác liên quan đến phát triển của cá thể cái. Kết quả, chỉ có ruồi đực không sinh sản nở ra trong khi cá thể cái chết. “Bạn không muốn thả cá thể cái vào dân số, vì đó là những con gây hại,” Stephanie Gamez, giám đốc nghiên cứu và phát triển tại Agragene, nói.

Nhưng trước khi công ty có thể thả bất kỳ côn trùng được chỉnh sửa gen nào vào môi trường mở, họ phải thử nghiệm chúng trong những nhà kính kiểm soát. Hợp tác với các nhà nghiên cứu chính phủ và được sự cho phép từ USDA, công ty đang thử nghiệm khả năng của các con đực chỉnh sửa gen có thể làm giảm số lượng ruồi chưa được chỉnh sửa trong điều kiện nhà kính và ngăn chặn hỏng hóc trên cây việt quất đang được trồng ở đó. Các thử nghiệm sẽ kéo dài hai đến ba tháng.

Công ty hiện đang xin phép từ cơ quan để thực hiện thử nghiệm trên thực địa vào năm sau. Cuối cùng, kế hoạch của Agragene là bán các hộp giấy nhỏ chứa nhộng đực không sinh sản—giai đoạn ngay trước khi ruồi trở thành người lớn. Ở giai đoạn này, nhộng được bao bọc và không thể di chuyển, làm cho việc vận chuyển đến các trang trại trở nên dễ dàng. (Witherbee nói công ty đã thử vận chuyển ruồi trưởng thành sống, nhưng một số côn trùng đã chết trong quá trình.) Hộp sẽ được đặt trong cánh đồng và khi ruồi trưởng thành nở ra, chúng sẽ tìm kiếm cá thể cái.

Witherbee nghĩ rằng cần có tỷ lệ bốn hoặc năm con đực không sinh sản cho mỗi con ruồi hoang dã để tiêu diệt dân số, và mức độ xâm nhập của một cánh đồng sẽ quyết định số lượng côn trùng cần phải thả ra. Vì các con đực không sinh sản, không có con cháu nào được sản sinh khi chúng giao phối với cá thể cái. Ruồi drosophila có vết đốm chỉ sống vài tuần, vì vậy sau khi thế hệ đầu tiên chết đi, việc thả liên tục các con đực được chỉnh sửa gen sẽ cần thiết để kiểm soát dân số. Witherbee nói rằng công ty sẽ bắt đầu thả hàng tuần trong các thử nghiệm nhà kính, nhưng trên thực địa, có thể cần nhiều lần thả trong khoảng thời gian ngắn hơn.

“Nếu bạn thả đủ số lượng đực trong khoảng thời gian đủ dài, bạn có thể loại bỏ côn trùng gây hại,” Omar Akbari, một giáo sư về sinh tế và sinh học phát triển tại Đại học California, San Diego, người đã phát triển kỹ thuật chỉnh sửa gen cho ruồi và cấp phép cho Agragene, nói.

Sử dụng việc làm không sinh sản để kiểm soát côn trùng gây hại không phải là một ý tưởng mới. Kể từ những năm 1950, chính phủ Hoa Kỳ đã sử dụng nó để làm giảm côn trùng trùn đốt, loài ruồi ký sinh ăn thịt của gia súc. Ruồi trùn đốt đực không sinh sản được thả ra để giao phối với cá thể cái, cá thể cái này đẻ trứng nhưng không nở. Kỹ thuật này đã dẫn đến việc diệt trừ chúng ở Bắc Mỹ và Trung Mỹ. Nhưng những con ruồi đực này bị làm không sinh sản bằng tia phóng xạ thay vì kỹ thuật gen. Hạn chế là mức độ tia phóng xạ cao làm suy giảm khả năng sinh sản của chúng, có nghĩa là thường cần phải thả ra hàng chục con ruồi cho mỗi con ruồi hoang dã.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học North Carolina đang phát triển một phương pháp kiểm soát thay thế không yêu cầu thả liên tục. Tại phòng thí nghiệm, họ đã sử dụng một kỹ thuật gọi là gene drive để làm cho con cái không thể sinh sản. Gene drive được thiết kế để ưu tiên lan truyền hoặc “đẩy” các đặc tính gen cụ thể trong dân số, vượt qua các quy tắc di truyền. 

Trong một bài báo được công bố vào đầu tháng này, nhà côn trùng học Max Scott và nhóm của ông mô tả việc sử dụng Crispr để vô hiệu hóa một khu vực của gen doublesex, cần thiết cho phát triển sinh dục của cá thể cái. Các nhà nghiên cứu tiêm Crispr vào phôi ruồi, cùng với một protein phát quang để họ có thể theo dõi ruồi nào đã có thay đổi mong muốn.

Khi ruồi trưởng thành, các nhà nghiên cứu đã giao phối các côn trùng được kỹ thuật gen với các con ruồi hoang dã không có gen doublesex bị đột biến. Thông thường, khoảng 50% con cháu sẽ kỳ vọng thừa hưởng sự thay đổi. Nhưng với gene drive, từ 94 đến 99% con cháu của ruồi cuối cùng đã có nó. Các con cái thừa hưởng gen đột biến là vô sinh và không thể đẻ trứng. Nhưng con đực, cũng mang sự thay đổi, vẫn có khả năng sinh sản. Không giống như phương pháp của Agragene, các con đực tiếp tục giao phối và truyền gen này cho thế hệ tiếp theo. Điều này cho phép gen tiếp tục lan rộng—và loại bỏ thế hệ ruồi tương lai—mà không cần thả nhiều côn trùng.

“Nếu chúng ta đang cố gắng kiểm soát dân số, bạn thực sự muốn nhắm vào một gen cần thiết cho sinh sản của cá thể cái, bởi vì là cá thể cái tạo ra thế hệ tiếp theo,” Scott nói.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình toán học để dự đoán khả năng gene drive có thể làm suy giảm dân số ruồi trong chuồng thí nghiệm và phát hiện ra rằng việc thả một con ruồi được sửa đổi cho mỗi bốn con hoang dã có thể làm giảm dân số trong tám đến mười thế hệ. (Mỗi thế hệ kéo dài khoảng hai tuần, vì vậy làm suy giảm dân số trong phòng thí nghiệm có thể mất khoảng 20 tuần.) Bây giờ nhóm đang tiến hành các thí nghiệm sử dụng chuồng chứa các con ruồi được chỉnh sửa gen thực để tìm hiểu liệu gene drive có làm giảm số lượng ruồi như dự đoán của mô hình hay không.

Các nhà nghiên cứu ở nơi khác đang phát triển gene drive như một cách để kiểm soát muỗi mang bệnh, nhưng chưa có loài côn trùng nào được thả ra tự nhiên. “Có rất nhiều rủi ro liên quan đến nó, bởi vì đây là một công nghệ bạn không thể kiểm soát khi bạn thả ra nó,” Akbari nói, người đã làm việc với gene drive cho ruồi drosophila có vết đốm. Một rủi ro là khả năng tràn ngập: Nếu loài đối tượng giao phối với một loài có quan hệ họ hàng gần, có thể truyền gen drive cho một loài bản địa hoặc loài có giá trị.

Và có khả năng gene drive có thể ngừng hoạt động. Crispr hoạt động bằng cách nhận diện một vị trí cụ thể trong gen. Bất kỳ con ruồi hoang dã nào có biến thể tự nhiên tại vị trí này sẽ không bị ảnh hưởng bởi gene drive. “Điều này khác nhau khi làm việc trong phòng thí nghiệm, nơi có thể không có nhiều biến thể gen trong quần thể thí nghiệm của bạn,” Scott nói. “Nhưng nếu bạn đi ra ngoài cánh đồng, bạn đang đối mặt với những quần thể lớn và nhiều biến thể gen.”

Hannah Burrack, một nhà sinh thái học tại Đại học Michigan State nghiên cứu về quản lý côn trùng gây hại, nói rằng công việc gene drive có triển vọng, nhưng vẫn còn xa việc được áp dụng bởi người nông dân. Quy định của Hoa Kỳ về gene drive không rõ ràng, và các nhà khoa học đồng ý rằng công việc trong lĩnh vực này nên tiến hành cẩn thận. Tuy nhiên, cô nhìn nhận một số ưu điểm nhất định: “Lợi ích mà Crispr mang lại là thay vì phải áp đảo dân số, bạn có thể thả ra một số lượng nhỏ ruồi và dựa vào gen có hại để lan rộng trong dân số.”

Cô nói rằng phương pháp đực không sinh sản có thể đòi hỏi số lượng lớn ruồi được thả ra, vì vậy có thể không thực tế cho một nông dân cá nhân thực hiện. Thay vào đó, cô nghĩ rằng việc thả liên tục các con đực được chỉnh sửa gen có thể cần phải được thực hiện bởi một nhóm lớn người trồng trọt hoặc chính phủ.

Một lo ngại với cả hai phương pháp là làm diệt ruồi có thể ảnh hưởng đến các loài khác trong môi trường xung quanh. Ví dụ, việc loại bỏ những loài ruồi này có thể làm mất nguồn thức ăn của một loài động vật khác hoặc tạo điều kiện cho sự gia tăng của các loài gây phiền hại khác?

Vì ruồi drosophila có vết đốm là loài xâm lược và mới đến Mỹ gần đây, Burrack cho rằng tác động sinh thái khi diệt chúng sẽ tối thiểu. “Điều này trở thành một sự so sánh rủi ro-lợi ích,” cô nói. “Chúng ta sẽ so sánh những rủi ro có thể nhỏ liên quan đến việc giảm sự phong phú của loài xâm lược này trong môi trường so với những rủi ro liên quan đến việc quản lý theo trạng thái hiện tại, mà hiện nay sử dụng nhiều thuốc trừ sâu hơn.”