Buzz
Hồi năm 2012, giáo sư hóa học Jennifer A. Doudna từ Đại học Berkeley đã khám phá ra công cụ CRISPR, hứa hẹn có thể chỉnh sửa bộ mã di truyền DNA một cách chính xác. Đến tháng 1 năm 2013, họ đã thực hiện một bước tiến quan trọng: Cắt một đoạn DNA từ tế bào người và thay thế bằng một đoạn mã di truyền khác. Cùng lúc, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Harvard và Viện Broad cũng công bố rằng họ đã thành công với phương pháp tương tự. Đây được xem là khám phá lớn nhất trong lĩnh vực sinh học phân tử của thế kỷ 21.
Điều này không chỉ thay đổi hoàn toàn bức tranh y học và nông nghiệp tương lai của loài người mà còn mang về cho 2 nhà khoa học này giải thưởng cao quý nhất trong giới Khoa học - giải Nobel hóa học 2020. Hãy cùng nhìn lại hành trình phát triển của công cụ tuyệt vời này.
Bước Tiếp Mới Trong Thế Giới CRISPR
Từ khi công bố thành công vào đầu năm 2013 đến nay, chỉ trong vòng hai năm, các nhà nghiên cứu đã thực hiện hàng trăm thí nghiệm quanh công cụ CRISPR. Mục tiêu là nâng cao y học và nông nghiệp của loài người lên một tầm cao mới, chưa từng có trong lịch sử nhân loại.
Một số nhà khoa học đã điều chỉnh DNA của chuột để chữa trị bệnh lý di truyền. Những nhà nghiên cứu thực vật đã sử dụng CRISPR để chỉnh sửa gen của cây trồng và vật nuôi, nhằm tạo ra nguồn lương thực tốt hơn. Thậm chí, một số nhóm nghiên cứu còn đã tái tạo gen đầy đủ của voi ma mút lông xoăn, nhằm khôi phục loài sinh vật cổ đại này từ tình trạng tuyệt chủng.
Chân dung giáo sư sinh học Jennifer A. Doudna, một trong những nhân vật đoạt giải Breakthrough Prize với công cụ tùy chỉnh DNA CRISPR.Trong bài báo trên Tạp chí Sinh học sinh sản và nội tiết năm ngoái, nhóm nghiên cứu Motoko Araki và Tetsuya Ishii từ Đại học Hokkaido, Nhật Bản, dự đoán rằng trong tương lai gần, bác sĩ có thể sử dụng CRISPR để chỉnh sửa gen của phôi thai con người. Các nghiên cứu về công cụ CRISPR đang diễn ra với tốc độ nhanh chóng.Không chỉ trong giới học thuật, ngành công nghiệp dược phẩm cũng đã quan tâm đến công cụ tiềm năng này. Nhiều công ty dược đã bắt đầu phát triển và thương mại hóa các loại thuốc dựa trên công nghệ CRISPR. Hồi tháng 1 năm nay, tập đoàn dược Novartis tuyên bố họ có thể sử dụng công nghệ CRISPR trong nghiên cứu điều trị ung thư.Viện công nghệ Massachusetts (MIT) đánh giá CRISPR là 'khám phá sinh học vĩ đại nhất thế kỷ.'
Viện công nghệ Massachusetts (MIT) đánh giá CRISPR là 'khám phá sinh học vĩ đại nhất thế kỷ.' Nhóm nghiên cứu của giáo sư Doudna đã nhận giải Breakthrough Prize - một phần thưởng cao hơn cả giải Nobel, được sáng lập bởi Mark Zuckerberg, CEO Facebook. Số tiền thưởng là 3 triệu đô la, gần gấp đôi giải Nobel và chỉ là một trong những giải thưởng danh giá mà họ nhận được.Tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá quá trình phát triển của hai công nghệ CRISPR cũng như nguyên lý hoạt động của chúng. Tóm lại, không ai thực sự phát minh ra CRISPR. Nhóm đã sử dụng vi khuẩn, những phân tử tự nhiên, để 'cắt' và 'dán' DNA. Vi khuẩn từ hàng triệu năm trước đã tự chỉnh sửa DNA của chúng, và đến ngày nay, chúng tiếp tục làm điều này khắp nơi trên hành tinh, từ đáy biển sâu đến bên trong cơ thể con người.Vi khuẩn sử dụng khả năng biến đổi DNA như một hệ thống miễn dịch tinh vi, giúp chúng học cách nhận biết kẻ thù. CRISPR là kỹ thuật được thực hiện tự nhiên trong thế giới vi sinh. Tính đến nay, chủ đề này vẫn là một bí ẩn đang đợi các nhà khoa học khám phá. Tuy hiểu biết về thế giới vi sinh vẫn còn hạn chế, nhưng rõ ràng, nó đầy triển vọng. Nghiên cứu của 2 nữ giáo sư chỉ mới phát hiện một loại CRISPR, và còn nhiều dạng khác đang chờ khám phá trong tương lai. Nếu tất cả bí ẩn về CRISPR được giải đáp, con người có thể có công cụ mới hiệu quả hơn để chỉnh sửa gen và mở ra nhiều ứng dụng khác trong tương lai.'Chuỗi mã lặp lại' bí ẩnCác nhà khoa học đã khám phá CRISPR từ năm 1987, nhưng họ không ngờ đó là một phát hiện cách mạng. Năm 1987, giáo sư Yoshizumi Ishino và đồng nghiệp tại Đại học Osaka, Nhật Bản công bố trình tự gen iap từ vi khuẩn E. coli. Họ sắp xếp trình tự xung quanh gen để tìm điểm tiếp xúc với protein, nhưng thay vào đó, họ phát hiện điều gì đó không thể hiểu được.
Hình ảnh phóng đại của vi khuẩn E. coliGần gen iap, có 5 đoạn DNA giống nhau, mỗi đoạn gồm 29 Nucleotide. Chuỗi lặp lại này được ngăn cách bởi 32 Nucleotide khác, được gọi là 'khoảng trắng'. Khác biệt với chuỗi lặp lại, mỗi 'khoảng trắng' có trình tự duy nhất. Phát hiện này đã gây thách thức cho các nhà sinh học, và họ đặt nghi vấn về vai trò sinh học của những 'khoảng trắng'.Trong giai đoạn đầu, kỹ thuật giải mã DNA còn thô sơ, và không thể xác định được liệu những trình tự đặc biệt này chỉ xuất hiện ở E. coli hay ở các loài khác. Đến những năm 1990, công nghệ tiên tiến giúp gia tăng tốc độ giải mã di truyền. Cuối thập niên 90, những kỹ thuật xác định nhanh trình tự di truyền đã sẵn sàng cho các nhà sinh học phân tử.Chỉ cần một thìa nước biển hoặc mẫu đất, nhà khoa học có thể nhanh chóng xác định trình tự di truyền của sinh vật trong đó bằng kỹ thuật Metagenomes, thu nhanh vật liệu di truyền trực tiếp từ môi trường. Phát hiện rằng trình tự sắp xếp từ trước của nhà khoa học Nhật không chỉ xuất hiện ở E. coli mà còn trên nhiều loài khác.Năm 2002, nhà khoa học Ruud Jansen và đồng nghiệp tại Đại học Utrecht, Hà Lan, đặt tên cho 'trình tự sắp xếp kiểu lặp đi lặp lại xen khoảng trống' này là CRISPR, viết tắt của 'Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats'. Họ cũng phát hiện chuỗi CRISPR thường đi kèm với các bộ gen ở gần đó, được gọi là Cas gen, liên quan đến CRISPR và mã hóa enzymes cắt DNA. Tuy nhiên, họ vẫn chưa hiểu tại sao chúng làm như vậy và tại sao luôn đi kèm với CRISPR.
Nếu bạn đã ăn sữa chua hoặc phô mai, có khả năng bạn đã tiếp xúc với các tế bào CRISPR.Vi khuẩn không chỉ đối mặt với virus mà còn kỳ công xây dựng hệ thống phòng thủ hiệu quả.
3 năm sau, 3 nhóm nghiên cứu tuyên bố giải mã bí ẩn của chuỗi CRISPR. Giáo sư Eugene Koonin tại Trung tâm Công nghệ Sinh học Quốc gia Hoa Kỳ nghiên cứu trình tự CRISPR và đưa ra giả thuyết rằng vi khuẩn sử dụng CRISPR như vũ khí chống lại virus. Vi khuẩn không thụ động mà ngược lại, chúng xây dựng danh sách mã để phòng thủ hiệu quả trước các đợt tấn công virus.Nhà nghiên cứu Rodolphe Barrangou sau đó kiểm chứng và củng cố giả thuyết của Koonin. Hãng sữa chua Danisco cũng hưởng lợi từ công trình nghiên cứu này, khi họ liên kết công việc kinh doanh với vi khuẩn để chuyển hóa sữa thành sữa chua.
Trong thí nghiệm kiểm chứng, nhóm Barrangou sử dụng mẫu sữa chua lên men bằng vi khuẩn Streptococcus thermophilus, nhiễm 2 loại virus. Sự sống còn của vi khuẩn sau đợt tấn công ban đầu chứng minh giả thuyết của Koonin là chính xác.Hiện tại, Barrangou, giáo sư Đại học Bắc California, nói về CRISPR với sự hóm hỉnh: 'Nếu bạn thường xuyên ăn sữa chua hoặc phô mai, rất có thể bạn đã tiếp xúc với các tế bào mang mã CRISPR.'Sao chép và DánKhi bí mật ban đầu của CRISPR dần được tiết lộ, nhiều nhà khoa học khác bắt đầu tò mò về tiềm năng mà nó mang lại. Giáo sư hóa học Jennifer A. Doudna, một chuyên gia về RNA, khám phá những bí mật động trời bên trong CRISPR, mở ra những khám phá mới về chức năng của RNA.Vùng CRISPR, sau khi đựng DNA của virus, trở thành bộ sưu tập giúp vi khuẩn nhận diện virus trong các lần 'gặp gỡ' sau đó.
Năm 2007, tiến sĩ Blake Wiedenheft từ Đại học Montana gia nhập nghiên cứu với giáo sư Doudna về nguyên lý hoạt động của Cas enzymes. Mặc dù không kỳ vọng ứng dụng của CRISPR, nhóm nghiên cứu đã phát hiện những giá trị động lực đằng sau công cụ này.Trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã xác định cấu trúc của Cas enzymes và cách chúng hoạt động với các hệ thống di truyền khác. Khi virus tấn công, vi khuẩn sử dụng Cas enzymes để chặn sự tấn công và lưu trữ thông tin gen của virus vào vùng CRISPR, tạo ra một bộ sưu tập nhằm nhận diện virus trong những cuộc 'gặp gỡ' sau này.Trong cuộc tấn công tiếp theo, vi khuẩn sử dụng đoạn DNA của virus để biến đổi Cas enzymes thành vũ khí chính xác. Khi gặp virus tương tự, chúng sẽ cắt DNA của virus thành hai phần để ngăn chặn sự sao chép. Một quá trình phòng thủ độc đáo của vi khuẩn được mô tả qua đoạn video.Đoạn video minh họa quá trình phối hợp giữa CRISPR và Cas enzymes giúp vi khuẩn chống lại virus.
Từ phát hiện đột ngột về khả năng tự vệ của vi khuẩn, nhóm nghiên cứu mở rộng nghiên cứu về khả năng phòng thủ của các loài vi khuẩn khác trong tự nhiên. Họ sử dụng cơ sở dữ liệu và lập trình để vi khuẩn sử dụng enzymes nhằm phát hiện và ngăn chặn DNA của virus, mở ra ứng dụng độc đáo. 'Một khi hiểu được cách vi khuẩn lập trình enzymes cắt DNA, chúng tôi có công cụ vô cùng tuyệt vời,' giáo sư Doudna chia sẻ.Thực tế, con người không lần đầu tiên tận dụng hoạt động của vi khuẩn để phát triển công cụ sinh học.
Thực tế, con người đã sử dụng hoạt động của vi khuẩn để phát triển công cụ sinh học. Một số loài vi khuẩn tự vệ bằng cách sử dụng enzymes giới hạn để cắt DNA không có lá chắn bảo vệ. Công nghệ này đã được khám phá từ những năm 1970, mở ra ngành công nghiệp công nghệ sinh học hiện đại.Sau vài thế kỷ, kỹ thuật sinh học được cải tiến, nhưng vấn đề quan trọng vẫn tồn đọng: Enzymes giới hạn không tiến hóa để cắt chính xác, hạn chế áp dụng trong điều kiện đơn giản. Hệ thống CRISPR-Cas của giáo sư Doudna giải quyết vấn đề này, thực hiện những nhát cắt chính xác và kiểm soát.Từ kỹ thuật cắt chính xác của giáo sư Doudna đến hệ miễn dịch ưu việt của vi khuẩn
Trái sang phải: CEO Twitter Dick Costolo, giáo sư Emmanuelle Charpentier từ Đại học Ulmea, giáo sư hóa học Jennifer A. Doudna từ Đại học Berkeley và diễn viên Cameron Diaz tại đêm trao giải Breakthrough Prize tại trung tâm nghiên cứu NASA ngày 9/11/2014Để tạo công cụ cắt DNA, nhóm giáo sư Doudna lựa chọn hệ thống CRISPR-Cas từ Streptococcus pyogenes, vi khuẩn gây bệnh viêm họng. Hệ thống này sử dụng enzymes cắt Cas9. Cas9 được hướng dẫn bằng một đoạn RNA trùng với đoạn DNA cần cắt. Như vậy, hệ thống CRISPR-Cas dễ dàng cắt gen theo mong muốn và ghép đoạn mã mới vào vị trí cắt. Công cụ này có thể thao tác trên bộ gen của bất kỳ sinh vật nào.Một khám phá quan trọng khác là khả năng kỳ diệu của vi khuẩn trong việc tối ưu hóa lá chắn bảo vệ chống lại virus. Điều này là mới mẻ và được gọi là cơ chế miễn dịch đáp ứng, một hệ thống mà con người chưa khám phá trước đây. Chúng ta sở hữu cả miễn dịch bẩm sinh và miễn dịch đáp ứng để chống lại mầm bệnh.Chu trình này tạo ra một đội quân tế bào miễn dịch nhạy bén, nhanh chóng phát hiện và tiêu diệt mầm bệnh một cách chính xác.
Hệ thống này hoạt động trong một số tế bào miễn dịch đặc biệt, nuốt chửng tác nhân gây bệnh và phát ra kháng nguyên. Tế bào miễn dịch nhân đôi và tạo ra đội quân tế bào có khả năng nhanh chóng nhận diện và tiêu diệt mầm bệnh chính xác. 'Ký ức' về tác nhân gây bệnh được lưu trữ vĩnh viễn.Đối với vi khuẩn, họ cũng có hệ thống miễn dịch đáp ứng, tối ưu hóa hơn con người. Vi khuẩn truyền 'bài học' về tác nhân gây bệnh trực tiếp qua thế hệ. Điều này làm cho việc học những kinh nghiệm từ đầu suốt cuộc đời trở nên dễ dàng hơn cho chúng.CRISPR thì lại đơn giản hơn. Vi khuẩn truyền gen chống lại virus trực tiếp cho thế hệ sau, giúp chúng tự thừa hưởng kinh nghiệm mà không cần học lại. Nếu con người có khả năng này, hậu quả sẽ như thế nào?Những triển vọng và nghi ngờ về tương lai của CRISPR
ảnh minh họaTiến sĩ Konstantin Severinov, công tác tại Đại học Rutgers và Viện khoa học công nghệ Skolkovo, Nga, tin rằng tương lai của công cụ CRISPR đầy hứa hẹn, nhưng vẫn còn nhiều khám phá. Ông nói rằng 'Chức năng miễn dịch của CRISPR chỉ là một khía cạnh và còn nhiều điều chưa rõ'. Severinov đặt ra câu hỏi về việc vi khuẩn truyền đạt thông tin về virus cho thế hệ sau hàng nghìn năm, khi nhiều virus đã tuyệt chủng. Điều này là một bí ẩn cần giải đáp trong tương lai.Tuy nhiên, tiến sĩ Severinov vẫn lạc quan và nói rằng: 'CRISPR là một hệ thống khá linh hoạt có thể áp dụng trong nhiều tình huống khác nhau. Nhưng cần chú ý rằng sự cân bằng của hệ thống này có thể có sự khác nhau giữa các loài.' Nếu các nhà khoa học hiểu biết sâu hơn về cách CRISPR hoạt động trong tự nhiên, họ có thể tạo thêm nhiều kỹ thuật đột phá khác trong tương lai.Quả thật: CRISPR là phát kiến sinh học vĩ đại nhất thế kỷ 21
Điển hình như cách tùy chỉnh DNA của nhóm giáo sư Doudna dựa vào hệ thống CRISPR. Họ đã tinh chỉnh một hệ thống CRISPR-Cas từ vi khuẩn Streptococcus pyogenes, thực hiện quá trình cắt chính xác và ghép gen tạo ra chuỗi DNA mới hoàn toàn. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge và MIT cũng thành công với hệ thống CRISPR-Cas từ Staphylococcus aureus. Editas cũng thực hiện điều tương tự với hệ thống Cas9 từ Streptococcus pyogenes vào tháng 1 vừa qua.Dù nhiều nhóm nghiên cứu khác đang thực hiện nhiều thử nghiệm khác nhau, họ đang như 'bơi trong đại dương' của các chủng loại CRISPR. Tất cả những nghiên cứu này nhằm xác định cách CRISPR hoạt động ngoài tự nhiên và mô phỏng nó. Khi thành công, cuộc sống của con người sẽ chuyển đổi một cách ngoạn mục, từ nền nông nghiệp mới đến ứng dụng y học như công cụ chẩn đoán hoặc biện pháp chữa trị ung thư…Tất cả đều là tương lai hứa hẹn bắt đầu từ hôm nay với sự phát hiện của CRISPR. Quả thật: CRISPR là phát kiến sinh học vĩ đại nhất thế kỷ 21. Cảm ơn bạn đã theo dõi bài viết này. Hy vọng bạn tìm thấy thông tin bổ ích về sự kỳ diệu của thế giới vi sinh và phát hiện đột phá của con người. Chúc vui vẻ và may mắn trong những ngày đầu năm.
