Hành trình nghiên cứu ‘Chiếc kéo di truyền’

Các giáo sư Emmanuelle Charpentier (trái) và Jennifer Doudna.

Mở ra giấc mơ chữa khỏi các bệnh di truyền

Chiếc kéo di truyền CRISPR/Cas9 đã được các nhà nghiên cứu sử dụng để thay đổi DNA của động vật, thực vật và vi sinh vật với độ chính xác cực kỳ cao. Công nghệ này đã cách mạng hóa ngành khoa học sự sống ở cấp độ phân tử, đóng góp vào các liệu pháp mới trong chữa ung thư và có thể biến giấc mơ chữa khỏi các bệnh di truyền trở thành hiện thực.

Năm 2012 Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna đã công bố khám phá của họ về CRISPR/Cas9, và chỉ tám năm sau phát minh của họ, những “chiếc kéo di truyền” đã định hình lại ngành khoa học sự sống.

Trong y học, ‘chiếc kéo di truyền’ đang góp phần vào liệu pháp miễn dịch mới chữa bệnh ung thư cũng như các thử nghiệm đang được tiến hành nhằm biến giấc mơ chữa các bệnh di truyền thành hiện thực. Các nhà nghiên cứu đang thực hiện các thử nghiệm lâm sàng để nghiên cứu liệu họ có thể sử dụng CRISPR/Cas9 để điều trị các bệnh về máu như bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm và bệnh beta-thalassemia, cũng như các bệnh di truyền về mắt hay không.

Trong nhân giống thực vật, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra những đặc tính cụ thể cho cây trồng. ‘Chiếc kéo di truyền’ đã nhanh chóng trở thành một công cụ tiêu chuẩn trong nhân giống cây trồng, nhằm chỉnh sửa bộ gene thực vật để bổ sung các gene kháng kháng sinh. Khi áp dụng các phương pháp cũ, có nguy cơ khả năng kháng kháng sinh lây lan sang các vi sinh vật xung quanh. Nhờ có ‘chiếc kéo di truyền’, các nhà nghiên cứu giờ đây có thể tạo ra những thay đổi rất chính xác đối với bộ gene. Ngoài ra, họ còn bất hoạt các gene khiến lúa hấp thụ kim loại nặng từ đất, dẫn đến các giống lúa cải tiến có hàm lượng cadimi và asen thấp hơn. Các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển các loại cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn với hạn hán trong bối cảnh khí hậu nóng lên và chống lại côn trùng, sâu bệnh mà không cần phải xử lý bằng thuốc trừ sâu.

Tuy nhiên, bên cạnh lợi ích đem lại, ‘chiếc kéo di truyền’ có thể bị lạm dụng. Ví dụ, nó có thể bị sử dụng để tạo phôi người biến đổi gene. Tuy nhiên, trong nhiều năm nay đã có những luật lệ và quy định kiểm soát việc áp dụng kỹ thuật di truyền, trong đó có những quy định cấm sửa đổi bộ gene theo cách các thay đổi đó được di truyền lại. Ngoài ra, các thí nghiệm liên quan đến con người và động vật phải luôn được các ủy ban đạo đức xem xét và phê duyệt trước khi tiến hành.

Có một điều chắc chắn: những ‘chiếc kéo di truyền’ này ảnh hưởng đến tất cả chúng ta. Chúng ta sẽ phải đối mặt với các vấn đề đạo đức mới, nhưng công cụ mới này 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 đưa khoa học sự sống vào một kỷ nguyên mới. Họ đã mở ra cho chúng ta một chân trời rộng lớn với tiềm năng không thể tưởng tượng được và trên con đường này – chắc chắn sẽ có thêm những khám phá mới và bất ngờ.

Hành trình nghiên cứu ‘Chiếc kéo di truyền’

Khi Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna nghiên cứu hệ miễn dịch của vi khuẩn Streptococcus, ban đầu họ chỉ đưa ra ý tưởng phát triển một loại kháng sinh mới. Nhưng cuối cùng, thay vào đó, họ phát minh một công cụ phân tử có thể cắt chính xác vật chất di truyền, hiện thực hóa việc thay đổi mã sự sống một cách dễ dàng.

Một số người nhận xét Emmanuelle Charpentier là người chu đáo, kỹ lưỡng và có tầm nhìn. Số khác nói bà luôn tìm kiếm những điều bất ngờ. Bà tự trích dẫn Louis Pasteur, “cơ hội chỉ dành cho những tâm trí sẵn sàng.” Sự thôi thúc muốn tạo ra những phát kiến mới và đạt được sự tự do và độc lập đã dẫn lối cho bà. Khi tính luôn những năm tháng học nghiên cứu sinh tại viện Pasteur Paris, bà đã sống ở 5 quốc gia, 7 thành phố và làm việc ở 10 viện nghiên cứu khác nhau. Môi trường nghiên cứu và phương pháp tiếp cận đã thay đổi, nhưng hầu hết nghiên cứu của bà đều xoay quanh vi khuẩn gây bệnh. Tại sao chúng nguy hiểm đến vậy? Chúng phát triển khả năng kháng kháng sinh như thế nào? Và có thể tìm ra phương pháp điều trị mới ngăn chặn quá trình này hay không?

Năm 2002, khi Emmanuelle Charpentier bắt đầu lập nhóm nghiên cứu riêng tại Đại học Vienna, bà tập trung vào một trong những loài vi khuẩn nguy hiểm nhất đối với con người: Streptococcus pyogenes. Chúng lây nhiễm trên hàng triệu người mỗi năm, thường gây ra những bệnh dễ điều trị như viêm amidan hoặc chốc lở da. Tuy nhiên, chúng cũng có thể gây nhiễm trùng huyết đe dọa tính mạng và tàn phá mô mềm của cơ thể, nên bị gọi là ‘kẻ ăn thịt người’.

Nhằm hiểu rõ thêm về S. pyogenes, Charpentier bắt đầu nghiên cứu kỹ lưỡng cách thức điều hòa gene của vi khuẩn này. Đây là bước khởi đầu trên con đường khám phá ‘çhiếc kéo di truyền’.

Lập bản đồ cho một cơ chế phức tạp

Trong lúc đó, Doudna mới lần đầu tiên tiếp cận thuật ngữ biết đến một dãy trình tự lặp lại viết tắt là CRISPR.

Khi so sánh vật chất di truyền của các vi khuẩn khác nhau cũng như vi khuẩn cổ, các nhà khoa học đồng nghiệp của Doubna nhận thấy chuỗi DNA lặp lại được bảo tồn một cách đáng ngạc nhiên. Một mã được lặp lại liên tục, nhưng xen giữa chúng là các trình tự độc đáo khác biệt. Giống như một từ được lại lặp giữa mỗi câu trong một cuốn sách. Dãy trình tự lặp lại này được gọi là clustered regularly interspaced short palindromic repeats, viết tắt thành CRISPR. Điều thú vị là các trình tự độc nhất, không bị lặp trong CRISPR của vi khuẩn dường như khớp với mã di truyền của các loài virus khác nhau, nên khi đó người ta nghĩ rằng đây là một phần trong hệ miễn dịch cổ xưa giúp bảo vệ vi khuẩn và vi khuẩn cổ khỏi sự tấn công của virus. Giả thuyết là nếu một vi khuẩn sống sót thành công sau khi nhiễm virus, nó sẽ tự chèn một đoạn mã di truyền của virus vào bộ gene của mình như một cách thức ghi nhớ.

Tin tức này vừa đáng chú ý vừa li kì. Nếu đúng là vi khuẩn mang hệ thống miễn dịch cổ xưa thì đây là một hướng nghiên cứu lớn. Thế là bà bắt đầu tìm hiểu về CRISPR. Hóa ra ngoài trình tự CRISPR, còn có một gene đặc biệt có liên quan, gọi là CRISPR-associated (viết tắt là cas). Doudna thấy những gene này giống với gene mã hóa protein tháo xoắn và cắt DNA. Liệu cas có khả năng tương tự? Chúng có thể cắt DNA của virus không?

Bà đưa ra cho nhóm của mình hướng nghiên cứu này và sau vài năm, họ đã phát hiện chức năng của các protein cas khác nhau. Cùng lúc đó, nhiều nhóm nghiên cứu từ các trường đại học khác cũng đang nghiên cứu hệ thống CRISPR/Cas vừa được công bố. Họ lập bản đồ nhiều dạng khác nhau của hệ miễn dịch vi khuẩn. Hệ thống CRISPR/Cas của nhóm Doudna thuộc dạng 1; nó là một bộ máy phức tạp gồm nhiều protein cas để vô hiệu hóa virus. Hệ thống dạng 2 đơn giản hơn đáng kể vì cần ít protein hơn. Và ở một nơi khác, Emmanuelle Charpentier vừa bắt gặp một hệ thống như vậy.

Một mảnh ghép mới

Khi rời Vienna, Charpentier chuyển đến một vị trí nghiên cứu mới tại Đại học Umeå, miền Bắc Thụy Điển. Dù được cảnh báo về sự xa xôi tách biệt, nhưng mà đông dài và u tối nơi đây cho phép bà tĩnh lặng tập trung cho công việc.

Bà cũng quan tâm đến các phân tử RNA nhỏ điều hòa gene, và khi còn làm việc ở Berlin, bà từng lập bản đồ của các RNA nhỏ của S. pyogenes. Kết quả đã khiến bà suy nghĩ rất nhiều, những phân tử nhỏ tồn tại với số lượng lớn trong vi khuẩn này là một biến thể chưa được biết đến và mã di truyền của RNA này rất gần với trình tự CRISPR đặc biệt trong bộ gene của chính vi khuẩn.

Charpentier nghi ngờ giữa chúng có liên hệ với nhau. Phân tích cẩn thận mã di truyền cho thấy một phần của RNA này khớp với trình tự lặp lại trong CRISPR. Hai mảnh ghép hoàn toàn phù hợp.

Charpentier chưa từng nghiên cứu CRISPR, nhưng nhóm của bà bắt đầu tiến hành lập bản đồ hệ thống CRISPR của S. pyogenes. Hệ thống này thuộc loại 2, chỉ yêu cầu một protein cas duy nhất, cas9, để phân cắt DNA của virus. Charpentier cho thấy phân tử RNA, được đặt tên trans-activating crispr RNA (tracrRNA), đóng vai trò quyết định. Nó hoạt hóa chuỗi RNA dài được tạo ra từ trình tự CRISPR.

Cuộc gặp gỡ định mệnh ở tiệm cà phê tại Puerto Rico

Tình cờ hai người gặp nhau trong tiệm cà phê vào ngày thứ hai của một hội nghị. Đồng nghiệp của Doudna giới thiệu họ cho nhau,và trong ngày tiếp theo, Charpentier gợi ý về một chuyến khám phá khu phố cổ của thủ đô. Đi dạo dọc theo những con đường rải sỏi, họ trò chuyện về nghiên cứu của mình. Charpentier tự hỏi liệu Doudna có quan tâm đến việc hợp tác nghiên cứu chức năng của cas9 trong hệ thống loại 2 đơn giản trên S. pyogenes?

Jennifer Doudna đã bị hấp dẫn, và họ lên kế hoạch cho một dự án bằng cách họp trực tuyến. Họ nghi ngờ rằng có thể CRISPR-RNA là để xác định DNA của virus, còn cas9 là chiếc kéo cắt DNA.

Tuy nhiên, khi họ thao tác trên ống nghiệm phân tử DNA vẫn nguyên vẹn. Tại sao? Điều kiện thí nghiệm không phù hợp hay cas9 mang chức năng hoàn toàn khác?

Sau nhiều lần thử nghiệm thất bại, cuối cùng họ đã thêm tracrRNA vào các ống nghiệm. Trước đây, họ tin tracrRNA chỉ cần thiết cho CRISPR-RNA bị cắt thành dạng hoạt hóa, nhưng khi cas9 truy cập vào tracrRNA thì điều mọi người mong đợi đã xảy ra: phân tử DNA bị cắt làm đôi.

Các giải pháp tiến hóa thường gây kinh ngạc cho các nhà nghiên cứu, nhưng thành tựu này quả thực là điều phi thường. Vũ khí mà vi khuẩn Streptococcus đã phát triển để bảo vệ khỏi virus rất đơn giản và hiệu quả, thậm chí là tuyệt vời. Lịch sử của ‘chiếc kéo di truyền’ có thể dừng lại ở đây; Charpentier và Doudna đã khám phá ra cơ chế cơ bản của một loài vi khuẩn gây ra đau khổ lớn cho nhân loại.

Nhưng không dừng lại đó, sau đó các nhà nghiên cứu cố gắng đơn giản hóa ‘chiếc kéo di truyền’. Sử dụng kiến ​​thức mới về tracr-RNA và CRISPR-RNA, họ đã tìm ra cách hợp nhất cả hai thành một phân tử duy nhất, mà họ đặt tên là RNA hướng dẫn. Với biến thể đơn giản này, họ đã thực hiện một thí nghiệm kiến tạo nên kỷ nguyên mới: tìm cách điều kiển ‘chiếc kéo’ cắt DNA đúng tại vị trí mong muốn.

Đến thời điểm này, các nhà nghiên cứu biết rằng họ đạt gần đạt đến một bước đột phá lớn. Họ lấy một gene đã được lưu trữ trong ngăn đông của phòng thí nghiệm của Doudna và chọn 5 vị trí khác nhau để cắt gene. Sau đó, họ thay đổi đoạn CRISPR của ‘chiếc kéo’ để trình tự của nó khớp với trình tự tại vị trí được cắt. Kết quả thực sự choáng ngợp. Các phân tử DNA được cắt chính xác tại vị trí mong muốn.