Một công nghệ hứa hẹn chữa được các loại bệnh di truyền, AIDS, ung thư và vô vàn các ứng dụng khác trong y tế, sức khoẻ, nghiên cứu cơ bản, công nghiệp, nông nghiệp. Chữ “CRISPR” có gợi cho bạn chút ý niệm nào không? Tại sao báo chí khắp nơi nói về nó nhiều như vậy? Tại sao các nhà khoa học hào hứng và “điên cuồng” với nó như vậy? Tại sao các doanh nhân, các công ty đổ nhiều tiền vào nó như vậy? Và tại sao người ta lại tranh cãi về nó nhiều như vậy?
Công nghệ này không còn mới lắm, nhưng chưa cũ, còn đang được tiếp tục phát triển và sẽ được ứng dụng mạnh mẽ trong tương lai. Công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR-Cas.
Trong lĩnh vực sinh học 10 năm qua, phát minh tốn nhiều giấy mực nhất của các tạp chí khoa học và cả truyền thông đại chúng chính là hệ thống chỉnh sửa gene có tên gọi là CRISPR-Cas. Công nghệ di truyền này không chỉ trở thành một công cụ vô cùng quyền năng trong nghiên cứu khoa học, mở ra vô vàn các hướng nghiên cứu mới, mà còn được nhanh chóng ứng dụng vào y học, điều trị và thậm chí có thể thay đổi hệ gene của loài người.
Thuật ngữ “công nghệ gene” bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ thập niên 1970s khi các nhà khoa học bắt đầu tìm ra một số công cụ để “thao tác” và làm thay đổi chuỗi DNA (vật liệu di truyền) của sinh vật. Có rất nhiều truyện khoa học viễn tưởng và tin đồn cho rằng công nghệ gene có thể chữa được các bệnh di truyền hoặc thậm chí tạo ra siêu nhân. Tuy nhiên thực tế thì vẫn còn rất xa. Chỉ khoảng 10 năm trở lại đây, các nhà khoa học mới có thêm một kỹ thuật cho phép họ thay đổi các trình tự DNA (A, T, G, C) dễ dàng và chính xác tại bất kỳ nơi nào trong bộ gene như ước vọng ban đầu.
Với kỹ thuật này, việc biến đổi gene trở nên đơn giản và được áp dụng phổ biến rộng rãi trên nhiều lĩnh vực từ nông nghiệp, công nghiệp đến bệnh nhiễm, liệu pháp gene, và cả các nghiên cứu cơ bản hơn như di truyền học ngoại mã (epigenetics). Một trong những liệu pháp tiên tiến nhất hiện nay là loại bỏ hẳn virus HIV ra khỏi tế bào miễn dịch nhằm chữa bệnh AIDS một cách triệt để nhất.
Sơ lược lịch sử
Người đầu tiên khám phá ra hệ thống CRISPR-Cas là TS Emmanuelle Charpentier với tham vọng ban đầu rất khiêm tốn là muốn ứng dụng vào việc tạo ra dòng vi khuẩn lên men sữa chua kháng lại virus nhằm giúp các nhà sản xuất thực hiện quy trình nuôi cấy lâu dài. Nhưng càng đi sâu vào cơ chế hoạt động của hệ thống CRISPR, cô quyết định rẽ sang một hướng hoàn toàn khác. Hợp tác với TS Jennifer Doudna ở Đại học California, Berkeley, cô đã trình bày kỹ thuật CRISPR-Cas9 với giới khoa học như một kỹ thuật chỉnh sửa DNA chính xác nhất.
Tuy nhiên việc thiết kế lại hệ thống CRISPR-Cas để đưa chúng vào hoạt động trong tế bào của động vật hữu nhũ (mammalian cell) và đặc biệt là tế bào người, một đối tượng vô cùng quan trọng trong nghiên cứu và điều trị, lại thuộc về nhóm nghiên cứu của TS Feng Zhang tại viện Broad, học viện công nghệ Massachusetts (MIT) và TS George Church của Harvard. Vì vậy hiện nay bản quyền sở hữu trí tuệ của công nghệ này đang bị tranh chấp dữ dội giữa MIT-Harvard và hệ thống Đại học California và gây ra nhiều tranh cãi trong giới học thuật.
Bản chất của công nghệ
CRISPR-Cas chính là hệ miễn dịch thích nghi của vi khuẩn. CRISPR là tên gọi tắt của “nhóm trình tự ngắn, phân cách đều đặn, lặp lại và đối ngẫu”. Nguyên thuỷ đó là những trình tự DNA nhỏ của virus mà vi khuẩn đã thu nhận và lưu trữ trong bộ gene của mình từ những lần xâm nhiễm trước. Về sau vi khuẩn sẽ sử dụng chúng để chống lại những lần bị nhiễm virus tiếp theo. Hãy tưởng tượng vi khuẩn như một chiến binh, còn kẻ thù của nó là virus. Mỗi lần chiến đấu là “chiến binh” này đều ghi nhớ những loại vũ khí của “kẻ thù”, rồi tạo ra một bản sao chép y chang của loại vũ khí đó và lưu trữ lại trong kho. Qua thời gian, nó tích luỹ được rất nhiều loại vũ khí, chính là các trình tự của virus. Khi gặp lại loại “kẻ thù” nào, thì vi khuẩn sẽ lấy đúng loại vũ khí đó ra, chống lại chúng. Điều này rất giống với câu thành ngữ “lấy gậy của ông đập lại lưng ông”.
Về cơ chế hoạt động thì cả hệ thống CRISPR-Cas giống như một cái tuộc-nơ-vít điện với một bộ đầu vặn nhiều hình dáng khác nhau, thích hợp với nhiều kiểu đầu đinh khác nhau. Trong đó phần động cơ chính là enzyme Cas9 có khả năng cắt DNA. Còn đầu vặn tức là các phân tử RNA được tạo thành từ các trình tự đã tích luỹ sẵn. Các phân tử RNA này có vai trò định hướng enzyme Cas9 đến đúng vị trí cần cắt.
Hình: Cơ chế hoạt động của hệ thống CRISPR-CAS
Thông thường, nếu có một đứt gãy hoặc sai sót nào xảy ra trong bộ gene của chúng ta, tế bào sẽ có vài phương án để nối lại nhằm đảm bảo tính ổn định và toàn vẹn của bộ gene. Ví dụ, nếu một trình tự trên một nhiễm sắc thể bị mất đi, thì tế bào sẽ sử dụng trình tự tương ứng trên nhiễm sắc thể còn lại như một bản mẫu để sửa lại cho đúng. Lợi dụng điều này và kết hợp với hệ thống CRISPR-Cas9, các nhà khoa học có thể chỉnh sửa lại trình tự DNA bị sai hỏng. Việc chỉnh sửa các sai hỏng trong DNA của người bệnh đem lại hi vọng chữa trị tận gốc nhiều loại bệnh di truyền.
Bộ công cụ “CRISPR-Cas” ngày càng được mở rộng và vô cùng phong phú. Nhiều biến thể được tạo ra nhằm phục vụ nhiều mục tiêu và đối tượng.
Ứng dụng
Sự phát triển và phổ biến nhanh chóng của phương pháp biến đổi gene vừa dễ sử dụng, ít tốn kém và hiệu quả này đã thay đổi bức tranh toàn cảnh của sinh học. Tính đơn giản của hệ thống CRISPR-Cas9 cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra những biến đổi vô cùng chính xác trên bộ gene, vì thế họ có thể thực hiện được nhiều thí nghiệm mà trước đây là rất khó hoặc không thể thực hiện. Ví dụ, khi được sử dụng kết hợp với công nghệ tế bào gốc, CRISPR-Cas9 có thể mô phỏng chính xác hơn một số bệnh di truyền, từ đó giúp các nhà khoa học tìm hiểu được nguyên nhân của bệnh và tim ra các loại thuốc mới. Hướng nghiên cứu này được gọi là “tạo mô hình bệnh” (disease modeling) và đang là một trong những hướng đang rất được quan tâm hiện nay, đặc biệt cho một số bệnh như tiểu đường, thần kinh (Alzheimer, Parkinson, tự kỷ), ung thư.
Một thử nghiệm đầu tiên chứng tỏ CRISPR-Cas9 có thể được sử dụng để sửa chữa sai hỏng do bệnh di truyền trong cơ quan của con người là từ nhóm của TS Hans Clevers tại ĐH Utrecht, Hà Lan vào cuối năm 2013. TS Hans Clevers nổi tiếng với công trình phân lập và nuôi cấy tế bào gốc của ruột non thành một dạng mô ruột, mà ông gọi là “ruột thu nhỏ” (intestinal organoid). Xơ nang (cystic fibrosis) là bệnh do một sai hỏng xảy ra trên gene CTFR làm tích luỹ chất nhờn trong phổi, ruột và các cơ quan khác. Nhóm của ông đã phân lập, nuôi cấy và tạo ra “ruột thu nhỏ” từ tế bào của hai bệnh nhân nhi mắc chứng xơ nang, rồi dùng kỹ thuật CRISPR-Cas9 để sửa lỗi sai trên gene CTFR. Kết quả thật ấn tượng: gene bị lỗi đã được chỉnh sửa trong khoảng một nữa số “ruột thu nhỏ” mà Clevers đã thử nghiệm. Chính ông cũng rất ngạc nhiên với sự hiệu quả của công nghệ CRISPR.
Tuy vậy, khi biến đổi gene được thực hiện trên dạng tế bào phôi như tế bào trứng, tinh trùng hay phôi đang phát triển, thì những biến đổi này sẽ sáp nhập vào tất cả các tế bào của cá thể mới, bao gồm cả tế bào phôi của các thế hệ tiếp theo. Vì vậy vấn đề này gây nên nhiều tranh cãi về mặt đạo đức trong giới học thuật và cả truyền thông xã hội.
Xem thêm bài viết 9 điều nên biết về tế bào gốc
Một mặt công nghệ này được cho là cần thiết để giải quyết sự lan truyền của nhiều loại bệnh di truyền và việc cấm đoán có thể dẫn đến nhiều vấn đề khó kiểm soát và hậu quả khôn lường như nghiên cứu ngầm, thị trường chợ đen, v.v… Mặt khác, việc biến đổi gene trên phôi người không chỉ tạo ra nhiều ảnh hưởng to lớn và thay đổi vĩnh viễn bộ gene của loài người, mà còn nhiều vấn đề đạo đức khác. Thêm vào đó, dù được cho là công nghệ chỉnh sửa bộ gene chính xác và hiệu quả nhất, nhưng nhiều vấn đề về kỹ thuật đặc biệt là chỉnh sửa lệch mục tiêu (off-target) vẫn còn đang được nghiên cứu và tối ưu hoá.
Trong khi vấn đề này còn đang được tranh luận khá nhiều và áp dụng một cách dè dặt ở phương Tây thì các nhà khoa học Trung Quốc đã “mạnh tay” thử nghiệm trên phôi người. Đầu tiên là công bố vào tháng 5 năm 2015, do một nhóm nghiên cứu ở Đại học Sun Yat-Sen, tại Quảng Châu, Trung Quốc thực hiện nhằm chỉnh sửa sai hỏng gây ra bệnh beta thalassemia ngay trên phôi người. Công bố này bị cả tạp chí Nature và Science từ chối đăng vì các vấn đề đạo đức. Họ còn có một số thử nghiệm khác nhưng không thành công, như thử nghiệm làm thay đổi gene để tạo khả năng miễn nhiễm với virus HIV. Năm 2017 một nhóm nghiên cứu ở Oregon Health & Science University, Mỹ, cũng đã thử nghiệm CRISPR trên phôi người 1 ngày tuổi để chỉnh sửa gene MYBPC3 gây bệnh cơ tim phì đại (hypertrophic cardiomyopathy) và thu được một số kết quả khả quan.
Cộng đồng các nhà khoa học hàng đầu thế giới đang cùng nhau đưa ra các lộ trình và phương án hành động để tiếp tục thúc đẩy nhiều phát minh và mở rộng tầm ảnh hưởng và khả năng ứng dụng của công nghệ này, mà vẫn kiểm soát được các vấn đề đạo đức.
Tài liệu tham khảo
1.CRISPR/Cas9 genome editing technology significantly accelerated herpes simplex virus research
2.https://www.ted.com/talks/jennifer_doudna_we_can_now_edit_our_dna_but_let_s_do_it_wisely
3. https://www.ted.com/talks/ellen_jorgensen_what_you_need_to_know_about_crispr
4. https://www.ted.com/talks/paul_knoepfler_the_ethical_dilemma_of_designer_babies
5. https://en.wikipedia.org/wiki/George_M._Church
6.https://en.wikipedia.org/wiki/Feng_Zhang
7. http://time.com/4882855/crispr-gene-editing-human-embryo
8. https://www.nature.com/articles/nature
