Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Trong số những tiến bộ khoa học quan trọng nhất trong những năm gần đây chính là sự phát hiện và phát triển những phương pháp mới nhằm thực hiện biến đổi di truyền của sinh vật sống bằng cách sử dụng một loại công nghệ có đặc tính nhanh với giá cả hợp lý được gọi là CRISPR. Mới đây, các nhà khoa học tại Đại học Texas ở Austin cho biết họ đã xác định được cách nâng cấp đơn giản cho công nghệ này, từ đó có thể giúp việc chỉnh sửa gen trở nên chính xác hơn và gia tăng độ an toàn, tạo điều kiện cho việc chỉnh sửa gen trở nên an toàn để thích hợp ứng dụng trên người.

Nhóm nghiên cứu gồm những nhà sinh học phân tử đã tìm thấy bằng chứng thuyết phục rằng Cas9, một loại enzyme phổ biến nhất hiện đang được sử dụng trong công cụ chỉnh sửa gen CRISPR đồng thời là loại enzyme được phát hiện đầu tiên, có tính hiệu quả và độ chính xác thấp hơn so với một trong những protein CRISPR ít được sử dụng hơn. Protein này được gọi là Cas12a.

Do bởi Cas9 có nhiều khuynh hướng chỉnh sửa sai vị trí trên bộ gen của động vật hoặc thực vật, phá vỡ những chức năng còn hoạt động tốt, các nhà khoa học đã lý giải việc chuyển sang sử dụng Cas12a sẽ giúp việc chỉnh sửa gen trở nên an toàn và hiệu quả hơn trong một nghiên cứu của nhóm được công bố vào ngày 02 tháng 08 trên tạp chí Molecular Cell.

Ilya Finkelstein, trợ lý giáo sư về sinh học phân tử và là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: "Mục tiêu tổng quát của nghiện cứu là tìm ra loại enzyme tốt nhất trong tự nhiên và sau đó cải thiện loại enzyme này, thay thế cho loại enzyme đầu tiên được phát hiện một cách tình cờ.”

Các nhà khoa học đã và đang sử dụng CRISPR, một cơ chế tự nhiên mà vi khuẩn sử dụng để tự vệ kháng lại virus, để tìm hiểu thêm về các gen của người, biến đổi gen trên thực vật và động vật cũng như phát triển những tiến bộ khoa học “viễn tưởng” như tạo ra heo mang gen loại mỡ có nguồn gốc từ chuột nhằm sản xuất thịt xông khói nạc. Nhiều người cho rằng CRISPR sẽ mang đến những phương pháp điều trị mới cho các bệnh trên người và cây trồng nhằm thu được năng suất cao hơn hoặc chống hạn hán và sâu bệnh.

Nhưng các hệ thống CRISPR được tìm thấy trong tự nhiên đôi khi nhắm sai mục tiêu trên hệ gen và điều này có thể gây hại nếu được áp dụng trên người .Ví dụ, thay vì chỉnh sửa một bệnh di truyền thì thay vào đó là biến các tế bào khỏe mạnh thành tế bào ung thư.

Một số nghiên cứu trước đây đã gợi ý rằng Cas12a được lựa chọn tốt hơn Cas9, tuy nhiên các nghiên cứu này chưa có tính thuyết phục. Các nhà nghiên cứu cho biết: nghiên cứu mới nhất này đã chứng minh rằng Cas12a là một công cụ chỉnh sửa gen chính xác hơn Cas9 và đưa ra những lý giải cho kết luận này.

Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi nghiên cứu sinh Isabel Strohkendl và giáo sư Rick Russell, đã phát hiện ra rằng Cas12a là lựa chọn tốt hơn do bởi enzyme này gắn với mục tiêu di truyền theo kiểu băng dán Velcro, trong khi Cas9 liên kết với gen mục tiêu giống như keo siêu dính (super glue). Mỗi enzyme mang một trình tự di truyền ngắn có bản chất là RNA và tương thích với một trình tự di truyền đích có bản chất là DNA của virus. Khi enzyme tiếp xúc với một số trình tự DNA, enzyme bắt đầu tìm cách liên kết với DNA bằng việc hình thành các cặp liên kết - bắt đầu từ một đầu và thực hiện bắt cặp dọc theo đoạn trình tự, đồng thời kiểm tra mức độ bắt cặp của mỗi ký tự ở một chuỗi bên (DNA) với ký tự liền kề ở mạch bên kia (RNA).

Đối với Cas9, mỗi cặp liên kết dính chặt với nhau, giống như một miếng keo siêu dính. Nếu một vài ký tự đầu tiên ở mỗi bên khớp nhau thì Cas9 sẽ bị gắn chặt với DNA. Nói cách khác, Cas9 tập trung độ chính xác vào bảy hoặc tám ký tự đầu tiên trên trình tự di truyền mục tiêu, nhưng ít chú ý đến quá trình bắt cặp được diễn ra sau đó, điều này đồng nghĩa với việc Cas9 có thể dễ dàng bỏ qua một vị trí không tương đồng trong quá trình bắt cặp sau đó và điều này có thể dẫn đến việc chỉnh sửa sai vị trí trên bộ gen.

Đối với Cas12a, enzyme này hoạt động như một loại băng dán Velcro. Tại mỗi vị trí bắt cặp trên chuỗi trình tự, các liên kết tương đối yếu. Quá trình đòi hỏi một sự bắt cặp hoàn hảo trong suốt chiều dài ở cả hai mạch bên để hai mạch này có thể liên kết đủ lâu và từ đó thực hiện quá trình chỉnh sửa. Điều này khiến cho Cas12a có nhiều khả năng sẽ chỉ chỉnh sửa đúng phần đã được nhắm tới trên bộ gen.

Giáo sư Russell cho biết: "Enzyme này giúp cho quá trình hình thành cặp liên kết có thể dễ dàng đảo ngược hơn. Nói cách khác, Cas12a hoạt động tốt hơn trong việc thực hiện kiểm tra từng cặp liên kết basơ nitơ trước khi chuyển sang cặp tiếp theo. Sau bảy hoặc tám ký tự, Cas9 sẽ dừng kiểm tra, trong khi Cas12a tiếp tục kiểm tra đến khoảng 18 ký tự."

Các nhà nghiên cứu cho rằng Cas12a vẫn chưa hoàn hảo, nhưng nghiên cứu cũng gợi ý những cách có thể dùng để cải tiến Cas12a tốt hơn nữa, và có lẽ trong tương lai có thể hiện thực hoá ước mơ tạo ra một "dao mổ chính xác" làm công cụ thiết yếu cho việc chỉnh sửa gen.

Finkelstein cho biết: "Về tổng thể, Cas12a là tốt hơn, nhưng có một số vị trí mà Cas12a có thể xuất hiện điểm mù đối với một vài cặp không tương đồng giữa RNA của enzyme và trình tự di truyền mục tiêu. Vì vậy, điều mà nghiên cứu của nhóm chúng tôi cho thấy đó là một định hướng rõ ràng trong tương lai nhằm cải thiện Cas12a tốt hơn nữa."

Các nhà nghiên cứu hiện đang sử dụng những kết quả này trong một dự án tiếp theo được xây dựng nhằm thiết kế một loại Cas12a cải tiến.

Các đồng tác giả khác của nghiên cứu này là học viên cao học James Rybarski và cựu sinh viên đại học Fatema Saifuddin.

Công trình này được hỗ trợ bởi nguồn tài trợ từ Viện Khoa học Y khoa Tổng hợp Quốc gia và Quỹ Welch.

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180802141744.htm