Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

MAJESTIC giúp quá trình chỉnh sửa gen bằng mã vạch giống một trình xử lý văn bản hơn là một “cây kéo”. Nguồn: Irvine / NIST

Việc sử dụng công cụ chỉnh sửa geen CRISPR để cắt DNA thường sẽ giống việc sử dụng kéo để chỉnh sửa một bài báo. Bạn có thể cắt rời các từ, nhưng khi muốn xóa từng ký tự hoặc ngay lập tức biết được việc cắt bỏ có ảnh hưởng như thế nào đến ý nghĩa văn bản lại trở nên khó khăn. Trong tương lai, CRISPR có thể được sử dụng để "cắt bỏ" các đột biến gene gây bệnh ở người. Nhưng một phương pháp trị liệu chính xác như vậy là chưa thể xuất hiện khi mà CRISPR vẫn còn là một công cụ “vụng về”.

Một công trình đang được thực hiện sẽ giúp cho quá trình chỉnh sửa gene trở nên chính xác hơn. Viện liên hiệp Đo lường và Sinh học (Joint Institute of Metrology and Biology – JIMB) là sự hợp tác giữa Đại học Stanford và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia, hay còn gọi là NIST - National Institute of Standards and Technology. Các nhà nghiên cứu tại JMIB đã phát triển một nền tảng CRISPR mới được gọi là MAGESTIC. Tên của nền tảng mới này xuất phát từ cụm từ "multiplexed accurate genome editing with short, trackable, integrated cellular barcodes - chỉnh sửa chính xác đa thành phần bộ gene sử dụng mã vạch ngắn, tích hợp tế bào, và dễ theo dõi". Nền tảng mới này cho phép CRISPR không chỉ còn là một công cụ cắt đầu bằng mà trở nên giống một trình xử lý văn bản cho phép kích hoạt chức năng "tìm kiếm và thay thế" đầy hiệu quả trên đối tượng vật chất di truyền. Được công bố trên báo Nature Biotechnology, MAGESTIC cũng hỗ trợ làm tăng khả năng tồn tại của tế bào trong quá trình chỉnh sửa lên 7 lần.

Kevin Roy hiện là nhà khoa học thuộc JIMB và là người phát triển MAGESTIC. Ông cho biết: "MAGESTIC là bước tiến giống chức năng tổ hợp phím 'control + F' [tìm văn bản] và lệnh thay thế văn bản cho phép thay đổi như mong muốn trong một trình xử lý văn bản thông thường. Chức năng này cho phép chúng tôi can thiệp trên tế bào một cách chính xác và quan sát những thay đổi ảnh hưởng như thế nào đến chức năng tế bào. Sau đó chúng tôi có thể so sánh những tác động thực tế của mỗi biến đổi với những tác động được dự đoán bằng thuật toán, và cuối cùng cải thiện mô hình để dự đoán cách các biến đổi di truyền tác động đến sức khỏe và bệnh tật.”

Việc sử dụng CRISPR để chỉnh sửa bộ gene một cách chính xác đòi hỏi sự hiểu biết sâu rộng về cơ chế các tế bào sửa chữa những cắt bỏ DNA tại các vị trí khác nhau trên bộ gene để chúng ta có thể kiểm soát quá trình khi cần thiết. Hiện tại, các đột biến ngẫu nhiên có thể xuất hiện tại các vị trí cắt trên DNA tế bào, nguyên nhân là do các mạch DNA sẽ tái lắp ghép theo một cách ngẫu nhiên. Hơn nữa, rất nhiều tế bào không thể sống sót trong quá trình chỉnh sửa. Vì vậy, việc thiết lập được các dự đoán chính xác cho quá trình chỉnh sửa gene vẫn còn là một thách thức lớn.

Điều mà hiện nay các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm là một phương pháp đáng tin cậy để lập trình CRISPR cắt tại các vị trí mong muốn trên toàn bộ gene, và sau đó định hướng các tế bào thực hiện những chỉnh sửa mong muốn tại vị trí cắt trên DNA. Điều này có thể được thực hiện bằng cách đưa một đoạn trình tự DNA “cho” vào tế bào và bộ máy sửa chữa DNA của tế bào có thể sử dụng đoạn trình tự này làm khuôn để thay thế trình tự ban đầu tại vị trí cắt. Phương thức này không mấy khác biệt với cách các biên tập viên thường sử dụng để chỉnh sửa văn bản, bắt đầu bằng việc tìm kiếm một từ hoặc một cụm từ nhất định và sau đó thay thế bằng một từ hoặc cụm từ khác. Tuy nhiên, hệ thống sửa chữa DNA trong tế bào rất phức tạp và không phải lúc nào cũng hoạt động như trình xử lý văn bản.

Quá trình tế bào tìm kiếm một trình tự DNA “cho” phù hợp để sửa chữa tại vị trí cắt là một thách thức rất lớn đối với tế bào, vì bộ máy sửa chữa DNA phải tìm trong hàng triệu đến hàng tỷ cặp base trên trình tự DNA để tìm ra một trình tự DNA "cho" phù hợp  MAGESTIC đem đến một bước tiến lớn trong công nghệ chỉnh sửa gene. MAGESTIC hỗ trợ tế bào trong quá trình tìm kiếm này bằng cách đưa đoạn trình tự DNA đã được thiết kế trực tiếp đến vị trí cắt trong quá trình được gọi là "bổ sung chủ động DNA “cho”". Việc bổ sung như vậy đã làm tăng gấp bảy lần tế bào sống sót. Sự thay đổi này khiến nhóm nghiên cứu bất ngờ với hiệu suất và hiệu quả mà phương pháp mang lại.

Một trong những đặc tính khiến MAGESTIC khác biệt so với các phương pháp chỉnh sửa CRISPR đa thành phần hiện nay chính là một loại mã vạch tế bào mới. Thông thường, các nhà nghiên cứu sử dụng DNA mạch vòng, hay còn gọi là plasmid, để biểu hiện RNA hướng dẫn (guide RNAs) và lưu giữ các mã vạch để theo dõi các đột biến chỉnh sửa nhân tạo trong mỗi tế bào. Các plasmid nhân lên khi tế bào tăng sinh và hai tế bào con đều mang plasmid sau quá trình phân bào. Theo lý thuyết, mã vạch phải hoạt động giống như mã vạch đen trắng được sử dụng để theo dõi hàng hóa tại quầy thanh toán. Nhưng không giống với sự tương ứng một mã vạch – một mặt hàng tại quầy thanh toán, mã vạch plasmid có số lượng khác nhau trong một tế bào nghĩa là mỗi tế bào có thể xuất hiện từ 10 – 40 mã vạch. Điều đó dẫn đến việc tính toán sai mật độ tế bào. Đối với MAGESTIC, mã vạch được tích hợp vào nhiễm sắc thể. Và điều này làm cho mã vạch trở nên ổn định, dễ tìm và dễ đếm.

Mặc dù trong hai thập kỷ qua đã xuất hiện nhiều cải tiến trong việc giải và chỉnh sửa trình tự DNA, nhưng sự hiểu biết khái quát về chức năng của trình tự bộ gene vẫn còn hạn hẹp. Các nhà khoa học còn hiểu biết rất ít về chức năng của 0,1% phần trình tự khác nhau giữa các cá thể trong một quần thể và 0,1% khác biệt này lại đóng vai trò quan trọng quyết định sự khác biệt về độ nhạy của bệnh.

MAGESTIC sẽ giúp giải quyết sự thiếu hụt những hiểu biết về biến đổi di truyền tự nhiên này bằng cách cho phép chỉnh sửa chính xác mỗi biến đổi di truyền và so sánh lần lượt từng biến đổi di truyền này với các biến đổi di truyền khác. Điều này cho phép phát hiện sự khác biệt di truyền nào có tác động đến chức năng tế bào. MAGESTIC cũng cho phép thực hiện tất cả các chỉnh sửa trong một lần trên cùng một ống nghiệm, với xác suất mỗi chỉnh sửa xảy ra trên một trong hàng triệu tế bào giống hệt nhau. Phương pháp này hiệu quả hơn những phương pháp trước đây áp dụng chỉnh sửa cho từng biến đổi di truyền trong các thử nghiệm riêng biệt.

Lars Steinmetz thuộc JIMB, đồng thời là giáo sư di truyền học tại Đại học Stanford, trưởng nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm sinh học phân tử châu Âu (EMBL), và là tác giả chính của bài báo. Ông cho biết: "Chúng tôi đang đạt đến một mức độ không chỉ thành công trong sắp xếp thứ tự các cặp base trong bộ gene mà còn có thể thay đổi chúng. Chúng tôi vẫn cần hiểu rõ hơn về kết quả của các chỉnh sửa. Sử dụng MAGESTIC giống như có thể thực hiện chỉnh sửa các ký tự riêng lẻ trong một cuốn sách, đồng thời có thể quan sát tác động của việc chỉnh sửa có ý nghĩa như thế nào đến ý nghĩa văn bản. Phương pháp bổ sung chủ động DNA “cho” của chúng tôi cũng cho phép những thông tin mới được đặt đúng vị trí thực hiện việc cắt bỏ. "

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180508102209.htm