Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Sự tương tự phổ biến đối với chỉnh sửa gen CRISPR là nó hoạt động giống như một chiếc kéo phân tử, cắt bỏ các phần DNA được chọn. Stanley Qi, trợ lý giáo sư kỹ thuật sinh học tại Đại học Stanford, thích sự tương tự đó, nhưng ông cho rằng đã đến lúc hình dung lại CRISPR như một con dao của Quân đội Thụy Sĩ.

Qi, cũng là trợ lý giáo sư hệ thống sinh học và hóa học tại Trường Y Stanford và một học giả của Viện ChEM-H Stanford cho biết: "CRISPR có thể đơn giản như một máy cắt, hoặc cao cấp hơn là như một bộ điều chỉnh, một người biên tập, một người dán nhãn hoặc người chụp ảnh. Nhiều ứng dụng đang xuất hiện từ lĩnh vực thú vị này", Tuy nhiên, nhiều hệ thống CRISPR khác nhau đang được sử dụng hoặc đang được thử nghiệm lâm sàng để điều trị gen các bệnh ở mắt, gan và não vẫn còn hạn chế trong phạm vi của chúng vì chúng đều mắc phải một lỗ hổng giống nhau: chúng quá lớn và do đó, khó đưa vào tế bào, mô hoặc cơ thể sống.

Trong một bài báo được công bố vào ngày 3 tháng 9 trên tạp chí Molecular Cell, Qi và các cộng sự của ông đã công bố những gì họ tin là một bước tiến quan trọng của CRISPR: Một hệ thống CRISPR nhỏ hiệu quả, đa mục đích. Trong khi các hệ thống CRISPR thường được sử dụng - với các tên như Cas9 và Cas12a biểu thị các phiên bản khác nhau của protein liên kết CRISPR (Cas) - được tạo ra từ khoảng 1000 đến 1500 axit amin, thì "CasMINI" có 529 axit amin.

Các nhà nghiên cứu đã xác nhận trong các thí nghiệm rằng CasMINI có thể xóa, kích hoạt và chỉnh sửa mã di truyền giống như các đối tác mạnh mẽ hơn của nó. Với kích thước nhỏ hơn có nghĩa là nó sẽ dễ dàng đưa vào tế bào người và cơ thể con người hơn, khiến nó trở thành một công cụ tiềm năng để điều trị các bệnh đa dạng, bao gồm bệnh mắt, thoái hóa cơ quan và các bệnh di truyền nói chung.

Sự nỗ lực bền bỉ

Để làm cho hệ thống càng nhỏ càng tốt, các nhà nghiên cứu quyết định bắt đầu với protein CRISPR Cas12f (còn được gọi là Cas14), vì nó chỉ chứa khoảng 400 đến 700 axit amin. Tuy nhiên, giống như các protein CRISPR khác, Cas12f có nguồn gốc tự nhiên từ Archaea - sinh vật đơn bào - có nghĩa là nó không phù hợp với tế bào động vật có vú, chưa nói đến tế bào hoặc cơ thể người. Chỉ có một số protein CRISPR được biết là hoạt động trong tế bào động vật có vú mà không bị biến đổi. Tuy nhiên, CAS12f không phải là một trong số đó. Điều này trở thành một thách thức hấp dẫn đối với các nhà kỹ thuật sinh học như Qi.

Qi cho biết "Chúng tôi nghĩ, hàng triệu năm tiến hóa đã không thể biến hệ thống CRISPR này thành một thứ hoạt động trong cơ thể người. Liệu chúng ta có thể thay đổi điều đó chỉ trong một hoặc hai năm không? Theo hiểu biết của tôi, lần đầu tiên chúng tôi đã biến một CRISPR không hoạt động thành một CRISPR hoạt động."

Thật vậy, Xiaoshu Xu, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Qi và là tác giả chính của bài báo, không thấy hoạt động nào của Cas12f tự nhiên trong tế bào người. Xu và Qi đưa ra giả thuyết rằng vấn đề là do DNA bộ gen của con người phức tạp hơn và khó tiếp cận hơn so với DNA của vi sinh vật, khiến Cas12f khó tìm thấy mục tiêu của nó trong tế bào. Bằng cách xem xét cấu trúc được dự đoán bằng máy tính của hệ thống Cas12f, cô đã cẩn thận chọn khoảng 40 đột biến trong protein có khả năng vượt qua giới hạn này và thiết lập một đường ống để thử nghiệm nhiều biến thể protein cùng một lúc. Về lý thuyết, một biến thể đang hoạt động sẽ biến tế bào người thành màu xanh lá cây bằng cách kích hoạt protein huỳnh quang màu xanh lá cây (GFP) trong bộ gen của nó.

Xu cho biết "Lúc đầu, hệ thống này không hoạt động trong một năm". "Nhưng sau nhiều lần lặp đi lặp lại kỹ thuật sinh học, chúng tôi thấy một số protein được thiết kế bắt đầu hoạt động, giống như ma thuật. Nó khiến chúng tôi thực sự đánh giá cao sức mạnh của sinh học tổng hợp và kỹ thuật sinh học."

Kết quả đầu tiên thành công khá khiêm tốn, nhưng điều đó đã  giúp Xu hào hứng và khuyến khích cô tiếp tục vì điều đó có nghĩa là hệ thống đã hoạt động. Qua nhiều lần lặp lại bổ sung, cô ấy đã có thể cải thiện hiệu suất của protein hơn nữa. Xu cho biết: “Chúng tôi bắt đầu chỉ nhìn thấy hai ô hiển thị tín hiệu màu xanh lá cây, và bây giờ sau quá trình kỹ thuật, hầu hết mọi ô đều có màu xanh lục dưới kính hiển vi.”

Qi nhớ lại "Tại một số thời điểm, tôi phải ngăn cô ấy lại". Tôi đã nói" Điều đó tốt cho đến bây giờ. Bạn đã tạo ra một hệ thống khá tốt. Chúng ta nên nghĩ về cách phân tử này có thể được sử dụng cho các ứng dụng".

Ngoài kỹ thuật protein, các nhà nghiên cứu cũng thiết kế RNA dẫn đường cho protein Cas đến DNA mục tiêu của nó. Các sửa đổi đối với cả hai thành phần là rất quan trọng để làm cho hệ thống CasMINI hoạt động trong tế bào người. Họ đã thử nghiệm khả năng xóa và chỉnh sửa gen của CasMINI trong tế bào người trong phòng thí nghiệm, bao gồm các gen liên quan đến nhiễm HIV, phản ứng miễn dịch chống khối u và bệnh thiếu máu. Nó hoạt động trên hầu hết mọi gen mà họ đã thử nghiệm, với một số phản ứng mạnh mẽ.

Mở cửa, hợp tác

Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu hợp tác với các nhà khoa học khác để theo đuổi các liệu pháp gen. Họ cũng quan tâm đến cách họ có thể đóng góp vào những tiến bộ trong công nghệ RNA - như những gì đã được sử dụng để phát triển vắc-xin COVID-19 mRNA - trong đó kích thước cũng có thể là một yếu tố hạn chế.

Qi cho biết: “Khả năng thiết kế các hệ thống này đã được mong muốn trong lĩnh vực này kể từ những ngày đầu của CRISPR, và tôi cảm thấy như chúng tôi đã thực hiện phần việc của mình để hướng tới thực tế đó”. "Và cách tiếp cận kỹ thuật này có thể rất hữu ích. Đó là điều khiến tôi hứng khởi - mở ra cánh cửa về những khả năng mới."

Theo: Xiaoshu Xu, Augustine Chemparathy, Leiping Zeng, Hannah R. Kempton, Stephen Shang, Muneaki Nakamura, Lei S. Qi. Engineered miniature CRISPR-Cas system for mammalian genome regulation and editing. Molecular Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.molcel.2021.08.008