Nobel hóa học 2020: Công cụ để viết lại mã sự sống

Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna được trao giải Nobel Hóa học 2020 vì đã khám phá ra một trong những công cụ sắc bén nhất của công nghệ gen: CRISPR/Cas9 genetic scissors hay gọi một cách đơn giản là chiếc kéo di truyền CRISPR / Cas9. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng những thứ này để thay đổi DNA của động vật, thực vật và vi sinh vật với độ chính xác cực cao. Công nghệ này đã cách mạng hóa khoa học sự sống phân tử, mang lại cơ hội mới cho việc nhân giống cây trồng, góp phần vào các liệu pháp điều trị ung thư sáng tạo và có thể biến ước mơ chữa khỏi các bệnh di truyền thành hiện thực.

2 nhà khoa học đạt giải

Emmanuelle Charpentier, sinh năm 1968 tại Juvisy-sur-Orge, Pháp. Lấy bằng tiến sĩ 1995 từ Viện Pasteur, Paris, Pháp. Giám đốc Đơn vị Max Planck về Khoa học Tác nhân gây bệnh, Berlin, Đức.

Jennifer A. Doudna, sinh năm 1964 tại Washington, DC, Hoa Kỳ. Lấy bằng tiến sĩ 1989 từ Trường Y Harvard, Boston, Hoa Kỳ. Giáo sư tại Đại học California, Berkeley, Hoa Kỳ và nghiên cứu viên tại Viện Y khoa Howard Hughes.

Chiếc kéo di truyền CRISPR / Cas9

Hệ thống CRISPR-Cas9 bao gồm hai phân tử thực hiện chỉnh sửa trong DNA.

1) Cas9 – Một loại enzyme có chức năng như một cặp ‘kéo phân tử’. Nó có khả năng cắt hai sợi (sense và anti-sense) của DNA tại một vị trí cụ thể trong bộ gen.

2) RNA hướng dẫn (gRNA) – Một đoạn ngắn (20 base hoặc hơn) của trình tự RNA được thiết kế trước nằm trong một khung RNA dài hơn. gRNA hướng dẫn Cas9 đến phần dự kiến ​​của bộ gen, đảm bảo cắt đúng vị trí. gRNA có các base bổ sung cho trình tự đích trong DNA giống như một đoạn lego rất cụ thể. Điều này trên lý thuyết đảm bảo rằng gRNA chỉ liên kết với trình tự mong muốn và không nằm ở đâu đó ngoài mục tiêu.

Enzyme cắt kéo (scissor enzyme) Cas9 được dẫn đến vị trí mong muốn và cắt ngang qua cả hai sợi DNA. Một khi điều này xảy ra, cơ chế tế bào hiểu rằng DNA bị hư hỏng nên bắt đầu cơ chế sửa chữa. Tại thời điểm này, có thể sử dụng cơ hội này để giới thiệu những thay đổi đối với gen thiết kế của chúng.

Đôi nét về khám phá

Một trong những điểm hấp dẫn của khoa học là nó không thể đoán trước – bạn không bao giờ có thể biết trước một ý tưởng hoặc một câu hỏi có thể dẫn đến đâu. Đôi khi trí óc tò mò sẽ gặp ngõ cụt, đôi khi nó sẽ gặp phải một mê cung đầy chông gai mà phải mất hàng năm trời mới định hướng được.

Cũng giống như các nhà nghiên cứu cần sửa đổi các gen trong tế bào nếu họ muốn tìm hiểu về hoạt động bên trong của sự sống. Điều này từng là công việc tốn nhiều thời gian, khó khăn và đôi khi là không thể. Trong nhiều năm, cách duy nhất để nghiên cứu đó là thực hiện một thay đổi nhỏ (đột biến) đối với gen và xem nó có ảnh hưởng gì đến bộ gen hoặc thậm chí toàn bộ sinh vật. Ví dụ, một sự thay đổi nhỏ trong gen Dystrophin, tùy thuộc vào vị trí và cách thức đột biến có thể dẫn đến một dạng bệnh Loạn dưỡng nhẹ được gọi là Chứng loạn dưỡng cơ Becker (BMD) hoặc một phiên bản gây tử vong được gọi là Chứng loạn dưỡng cơ Duchenne (DMD).

Trong một thời gian dài, cách duy nhất mà các nhà sinh học phân tử có thể nghiên cứu điều này là sử dụng hóa chất hoặc bức xạ để gây ra những đột biến này, nhưng một nhược điểm lớn là không có cách nào để kiểm soát mục tiêu của những sự kiện đột biến này. Có những phương pháp nhắm mục tiêu gen cụ thể nhưng không đáng tin cậy, rất tốn thời gian và cực kỳ tốn kém. Bằng cách sử dụng kéo di truyền CRISPR / Cas9, giờ đây có thể thay đổi mã sự sống trong vài tuần, vì thế đây là phương pháp nhanh nhất và rẻ hơn.

Thông thường trong khoa học, việc phát hiện ra những chiếc kéo di truyền này thật bất ngờ. Trong quá trình nghiên cứu của Emmanuelle Charpentier về vi khuẩn Streptococcus pyogenes, một trong những vi khuẩn gây hại nhiều nhất cho loài người, bà đã phát hiện ra một phân tử chưa từng được biết đến trước đây, tracrRNA. Nghiên cứu của bà cho thấy tracrRNA là một phần của hệ thống miễn dịch cổ đại của vi khuẩn, CRISPR / Cas, có chức năng giải trừ virus bằng cách phân cắt DNA của chúng.

Charpentier công bố khám phá của mình vào năm 2011. Cùng năm, bà bắt đầu hợp tác với Jennifer Doudna, một nhà hóa sinh giàu kinh nghiệm với kiến ​​thức rộng lớn về RNA. Cùng nhau, họ đã thành công trong việc tái tạo chiếc kéo di truyền của vi khuẩn trong một ống nghiệm và đơn giản hóa các thành phần phân tử của chiếc kéo để chúng dễ sử dụng hơn.

Trong một thí nghiệm tạo kỷ nguyên, sau đó họ lập trình lại chiếc kéo di truyền. Ở dạng tự nhiên, chiếc kéo nhận ra DNA từ virus, nhưng Charpentier và Doudna đã chứng minh rằng chúng có thể được kiểm soát để có thể cắt bất kỳ phân tử DNA nào tại một vị trí xác định trước. Khi DNA bị cắt thì rất dễ dàng để viết lại mã sự sống.

Một công cụ thay đổi khoa học sự sống

Ngay sau khi Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna công bố phát hiện của họ về chiếc kéo di truyền CRISPR / Cas9 vào năm 2012, một số nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng công cụ này có thể được sử dụng để sửa đổi bộ gen trong tế bào của cả chuột và người, dẫn đến sự phát triển bùng nổ. Trước đây, việc thay đổi các gen trong tế bào, thực vật hoặc sinh vật rất tốn thời gian và đôi khi là không thể. Bằng cách sử dụng kéo di truyền, về nguyên tắc, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra những vết cắt ở bất kỳ bộ gen nào họ muốn. Sau đó, có thể dễ dàng sử dụng hệ thống tự nhiên của tế bào để sửa chữa DNA để chúng viết lại mã sự sống.

Vì công cụ gen này rất dễ sử dụng nên hiện nay nó đã được phổ biến rộng rãi trong nghiên cứu cơ bản. Nó được sử dụng để thay đổi DNA của tế bào và động vật thí nghiệm nhằm mục đích tìm hiểu cách thức hoạt động của các gen khác nhau và tương tác, chẳng hạn như trong quá trình bệnh.

Kéo di truyền cũng đã trở thành một công cụ tiêu chuẩn trong nhân giống cây trồng. Các phương pháp trước đây được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu để sửa đổi bộ gen thực vật thường yêu cầu bổ sung các gen kháng kháng sinh. Khi cây trồng được trồng, có nguy cơ kháng thuốc kháng sinh này lan rộng ra xung quanh vi sinh vật. Nhờ có kéo di truyền, các nhà nghiên cứu không còn cần sử dụng các phương pháp cũ hơn này vì giờ đây họ có thể thực hiện những thay đổi rất chính xác đối với bộ gen.

Trong số những thứ đó, họ đã chỉnh sửa gen làm cho lúa hấp thụ kim loại nặng từ đất, dẫn đến các giống lúa cải tiến có mức cadmium và asen thấp hơn. Các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển các loại cây trồng có khả năng chịu hạn tốt hơn trong khí hậu ấm hơn và chống lại côn trùng và động vật gây hại mà nếu không sẽ phải xử lý sử dụng thuốc trừ sâu.

Hy vọng chữa khỏi bệnh di truyền

Trong y học, kéo di truyền đang góp phần vào các liệu pháp miễn dịch mới cho bệnh ung thư và các thử nghiệm đang đang thực hiện để biến ước mơ thành hiện thực – chữa các bệnh di truyền. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện
thử nghiệm lâm sàng để điều tra xem liệu họ có thể sử dụng CRISPR / Cas9 để điều trị các bệnh về máu như bệnh thiếu máu hồng huyết cầu lưỡi liềm và bệnh beta thalassemia, cũng như các bệnh mắt di truyền.

Họ cũng đang phát triển các phương pháp sửa chữa gen trong các cơ quan lớn, chẳng hạn như não và cơ. Các thí nghiệm trên động vật đã chỉ ra rằng các loại vi rút được thiết kế đặc biệt có thể chuyển gen kéo đến tế bào mong muốn, điều trị mô hình của các bệnh di truyền tàn phá như chứng loạn dưỡng cơ, cột sống teo cơ và bệnh Huntington. Tuy nhiên, công nghệ này cần được cải tiến thêm trước khi nó có thể được thử nghiệm trên người.

Sức mạnh của kéo di truyền đòi hỏi sự điều chỉnh

Bên cạnh tất cả những lợi ích của chúng, kéo di truyền cũng có thể bị lạm dụng. Ví dụ, công cụ này có thể được sử dụng để tạo ra các phôi biến đổi gen. Tuy nhiên, trong nhiều năm đã có các luật và quy định kiểm soát việc áp dụng kỹ thuật di truyền, bao gồm các quy định cấm sửa đổi bộ gen của con người theo cách cho phép những thay đổi được di truyền. Ngoài ra, các thử nghiệm liên quan đến con người và động vật phải luôn được các ủy ban đạo đức xem xét và phê duyệt trước khi thực hiện.

Có một điều chắc chắn: những chiếc kéo di truyền này đều truyền bệnh cho tất cả chúng ta. Chúng ta sẽ phải đối mặt với các vấn đề đạo đức mới, nhưng điều này mới công cụ cũng có thể góp phần giải quyết nhiều thách thức mà nhân loại đang phải đối mặt. Thông qua khám phá của họ, Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna đã phát triển một công cụ hóa học đã lấy đi sự sống khoa học vào một kỷ nguyên mới. Họ đã làm cho chúng ta nhìn ra một chân trời rộng lớn của tiềm năng không thể tưởng tượng và trên đường đi – khi chúng ta khám phá vùng đất mới này – chúng ta đảm bảo sẽ tạo ra những điều mới mẻ và những khám phá bất ngờ.

Tham khảo Nobelprize, THE FEDERALMAX-PLANCK-GESELLSCHAFT.