Trong thời gian đầu không thể có mẫu bệnh phẩm để phân lập SARS-CoV-2, NCS Trần Thị Như Thảo cùng các đồng sự ở Đại học Bern đã phát triển phương pháp mới giúp tái tạo SARS-CoV-2 từ các đoạn DNA tổng hợp chỉ trong vòng 1 tuần.
Nghiên cứu này, công bố trên tạp chí Nature hôm 4/5, không chỉ hữu ích trong tình hình “nước sôi lửa bỏng” cần gấp mẫu SARS-CoV-2 mà còn mở ra một hướng mới trong việc tái tạo các loài virus khác.
“Hồi tháng 1, chúng tôi cần virus SARS-CoV-2 để nghiên cứu nhưng lúc đó không thể tiếp cận được nguồn virus lâm sàng từ bệnh phẩm, do hầu như không thể đưa các mẫu bệnh phẩm hoặc virus phân lập ra khỏi biên giới Trung Quốc, bởi vậy nhóm nghiên cứu phải chọn cách tổng hợp ra các DNA hóa học từ dữ liệu trên ngân hàng gene và tái tổ hợp nó thành virus thuần”, nghiên cứu sinh (NCS) Trần Thị Như Thảo, tác giả thứ nhất của công bố trên Natute nhớ lại.
Phương pháp hoàn toàn mới
Thông thường, các phòng thí nghiệm sử dụng phương pháp truyền thống là tổng hợp các đoạn DNA của virus rồi sau đó nuôi cấy trên vi khuẩn E. Coli. Các vi khuẩn có kích thước lớn gấp nhiều lần virus là môi trường thuận lợi cho các đoạn DNA virus cấy vào, “bắt rễ” để các nhà khoa học thao tác phát triển thành một bộ gene virus hoàn chỉnh.
Nhóm nghiên cứu đã đặt hàng GenScript, một công ty công nghệ sinh học nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực di truyền để tổng hợp các đoạn DNA của virus SARS-CoV-2 từ dữ liệu giải trình tự gene trên Genbank. Những đoạn DNA này sẽ là nguyên liệu đầu vào cho quá trình tái tổ hợp virus.
Nhưng họ nhận thấy phương pháp nhân virus SARS-CoV-2 chuẩn trên vi khuẩn E. Coli khó khăn hơn bình thường, bởi kích thước bộ gene của chúng gần như lớn nhất (lên tới 26 - 32 kilobase pair) trong các dòng virus RNA, gây cản trở quá trình nhân bản và thao tác trên vi khuẩn E. coli. Đôi khi quá trình này cũng không ổn định vì virus có thể tạo ra các phản ứng gây độc cho chính E. coli, dẫn đến mất đi các bản sao (clone) tạo ra. Trong khi đó thời gian là vàng bạc, nhà nghiên cứu phải chạy đua với tốc độ lây lan của virus theo cấp số nhân. Tình hình dịch bệnh của Trung Quốc càng trở nên nghiêm trọng, cứ mỗi ngày lại có hàng ngàn ca nhiễm mới và tỉ lệ tử vong tăng không có dấu hiệu dừng lại.
Lúc này, nhóm nghiên cứu của ĐH Bern quyết định mạo hiểm thực hiện một phương pháp mới - nuôi cấy các đoạn DNA tổng hợp của virus SARS-CoV-2 trên nấm men S. cerevisiae thay vì E.coli. Nấm men có kích thước lớn hơn vi khuẩn và có môi trường thao tác gene thuận lợi hơn. Ý tưởng này bắt nguồn từ cách đây vài năm, khi GS. Volker Thiel, Viện trưởng Viện virus và miễn dịch và GS. Joerg Jores, Viện trưởng Viện vi khuẩn thú y - hai đồng tác giả liên hệ của bài báo trên Nature - nảy ra ý định kết hợp hai lĩnh vực của mình. GS. Jores kể rằng hệ thống nấm men đã từng sử dụng ở Mỹ để nhân bản vi khuẩn, nhưng “tại sao chúng ta không dùng nó để nhân bản virus nhỉ?”. Sau đó, dưới sự dẫn dắt của hai thầy, trong hai năm qua, NCS Trần Thị Như Thảo đã tối ưu hóa và hoàn thiện các kỹ thuật liên quan để tái tạo virus trong môi trường nấm men.
Nhưng họ chưa bao giờ thử nghiệm với virus corona trước thời điểm dịch bệnh nổ ra. “Giờ đây chúng tôi nghĩ rằng đã đến lúc sẵn sàng đem phương pháp này vào áp dụng”, chị Như Thảo nói. Tuy nhiên, thử nghiệm một phương pháp mới với virus mới nổi cũng là thách thức trong bối cảnh thời gian quá ngặt nghèo. Nếu thử nghiệm không thành công, họ sẽ bị bỏ lại phía sau những nhóm nghiên cứu khác tái tạo virus bằng E. coli truyền thống và vuột mất một cơ hội chứng minh ưu thế phương pháp của mình.
Các tế bào nấm men có khả năng tự nhiên là lắp ráp các đoạn DNA thành phân tử lớn. Điều này có nghĩa là thay vì phải tái cấu trúc DNA của virus trước khi đưa vào tế bào, thì họ chỉ cần đặt tất cả các mảnh vật liệu di truyền này trên nấm men bằng kĩ thuật tái tổ hợp liên kết-chuyển đổi (TAR) và nó sẽ tự động khớp lại với nhau một cách kì diệu thành bộ gene virus hoàn chỉnh.
Trong khi chờ đợi công ty cung cấp các đoạn DNA tổng hợp của SARS-CoV-2, nhóm đã tiến hành “tập dượt” phương pháp tái tạo virus hợp bào hô hấp RSV-B ở người trên môi trường nấm men S. cerevisiae và đã thành công. Việc tập dượt với virus này để đảm thao tác trên DNA của các họ corona virus (gồm cả những dòng nguy hiểm như MERS-CoV và SARS-CoV-2) “một lần được luôn”.
Sau đó, khi đến lượt tái tạo SARS-CoV-2, họ đã dùng 14 đoạn DNA, mỗi đoạn chia sẻ một vùng trùng lặp ngắn với đoạn tiếp theo để tế bào nấm nem có thể xác định đoạn nào sẽ đi với nhau. Hai đoạn DNA cuối của bộ gene cũng có phần trùng lặp với một vector plasmid, cho phép nó tạo thành nhiễm sắc thể nấm men nhân tạo. Khi các nhiễm sắc thể này nhân lên, các nhà nghiên cứu sử dụng enzym T7-RNA polymerase để cắt các đoạn đoạn RNA virus trong ống nghiệm, sau đó đưa các đoạn RNA này vào tế bào động vật, nhân ra các virus tổng hợp mới.
Kết quả vô cùng ấn tượng, chỉ trong vòng một tuần từ ngày 5 đến 12/2, họ đã tái tạo thành công virus SARS-CoV-2.
Theo nhóm nghiên cứu, nền tảng nấm men S. cerevisiae cho phép họ có thể chỉnh sửa đồng thời các đoạn gene để xem những thay đổi trình tự nào gây ra biến đổi kiểu hình và đặc điểm của virus, trong khi điều chỉnh gene trên nền tảng E.coli sẽ khó khăn hơn vì gene đã lắp ráp thành một thể cố định. Trong giai đoạn đầu của dịch SARS-CoV-2, việc phân lập được virus và can thiệp vào gene là điều cực kì cần thiết để phát triển những phương pháp chẩn đoán bệnh, thuốc kháng virus hoặc vaccine; đồng thời để có thể thiết lập các mô hình bệnh phù hợp trên cơ thể sống.
Chia sẻ cho các phòng thí nghiệm
Quả thực, sử dụng nấm men với virus là một hướng đi rất mới, gần như đầu tiên trên thế giới. Bởi vậy, sau khi tái tạo thành công SARS-CoV-2, nhóm nghiên cứu đã nhanh chóng tóm tắt kỹ thuật tái tạo virus dựa trên nấm men và gửi kết quả đến tạp chí Nature. Bài báo khoa học còn cho biết có thể dùng bất kì nguồn nguyên liệu đầu vào nào – từ virus phân lập, DNA nhân bản, DNA tổng hợp hoặc các mẫu lâm sàng – để tái tạo các dòng phân tử vô tính của những loại virus RNA khác nhau.
Chỉ sau hai tháng, bài báo đã được bình duyệt và xuất bản*. Đã có gần 100 yêu cầu từ nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới gửi đến nhóm nghiên cứu để xin các dòng vô tính SARS-CoV-2 tổng hợp phục vụ cho việc thử nghiệm các mẫu bệnh phẩm corona nhanh và chính xác hơn, bao gồm các trường hàng đầu đang quan tâm như ĐH Hamburg, ĐH Charité (Đức), ĐH Utrecht, ĐH Leiden (Hà Lan), ĐH Cambridge, ĐH Oxford (Anh), ĐH Yale, ĐH Boston, ĐH Rockefeller (Mỹ) cùng một số trường đại học tại Tây Ban Nha, Pháp, Ý, Canada và dĩ nhiên, Thụy Sĩ. Các nhà nghiên cứu của ĐH Bern cũng ngập chìm trong một loạt yêu cầu từ phía công ty dược phẩm và đồng nghiệp để thử nghiệm các tác nhân chống virus tiềm năng trên những dòng vô tính đó.
Khi được hỏi khả năng áp dụng kỹ thuật mới để tự tái tạo virus trong các phòng thí nghiệm khác, chị Trần Thị Như Thảo cho biết “mặc dù quy trình nghe có vẻ phức tạp nhưng thiết lập lại thí nghiệm trong các lab mới tương đối dễ dàng, chỉ cần những hiểu biết căn bản về dòng hóa và hóa chất căn bản cho việc dòng hóa các virus khác nhau”. Tuy nhiên trong giai đoạn làm việc với virus, các nhà khoa học cần hết sức thận trọng và thực hiện đảm bảo an toàn sinh học tại những phòng thí nghiệm cấp độ cao.
Chú thích: *Thao, T.T.N., Labroussaa, F., Ebert, N. et al. Rapid reconstruction of SARS-CoV-2 using a synthetic genomics platform. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2294-9