Công nghệ CRISPR-Cas9 là gì?

  Kỹ thuật chỉnh sửa gen là một trong những bước đột phá quan trọng nhất của công nghệ sinh học hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ CRISPR-Cas9 và các phương pháp tiên tiến khác, con người có thể can thiệp vào bộ gen của sinh vật để sửa chữa đột biến, điều trị bệnh di truyền, cải thiện giống cây trồng và thậm chí tạo ra những phương pháp điều trị ung thư hiệu quả hơn.

Công nghệ CRISPR-Cas9 là gì?

CRISPR-Cas9 là một công nghệ chỉnh sửa gen bao gồm hai thành phần thiết yếu: RNA hướng dẫn để phù hợp với gen mục tiêu mong muốn và Cas9 (protein liên quan đến CRISPR 9) – một endnuclease gây ra sự phá vỡ chuỗi DNA kép, cho phép sửa đổi gen bộ gen.

Cách thức hoạt động của công nghệ CRISPR-Cas9

Hệ thống CRISPR/Cas9 bao gồm 2 thành phần: enzyme Cas9 nuclease và RNA dẫn đường.

Nhờ đoạn trình tự bổ sung của RNA dẫn đường với trình tự đích mà phức hợp này có thể tìm thấy vị trí cần chỉnh sửa trên hệ gen. Để có thể hoạt động, hệ thống CRISPR còn yêu cầu một trình tự ngắn từ 2-5 nucleotides trên DNA đích được gọi là protospacer associated motif (PAM) ngay sau đoạn bổ sung của RNA dẫn đường (đối với CRISPR/Cas9 của vi khuẩn S.pyogenes thì trình tự này là 5’-NGG, trong đó N là bất kỳ nucleotide nào). Khi phức hợp Cas9 và guide RNA bám vào trình tự đích, enzyme Cas9 sẽ dùng 2 tiểu phần HNH và RuVC của mình để cắt đoạn DNA trên cả 2 mạch tại vị trí nucleotide thứ 3-4 phía trước PAM.

Để cắt một trình tự DNA cụ thể có từ 2 đến 5 nucleotide (trình tự chính xác phụ thuộc vào vi khuẩn tạo ra Cas9) phải nằm ở đầu 3′ của RNA dẫn hướng. Việc sửa chữa sau khi cắt DNA có thể xảy ra thông qua hai con đường:

Theo cơ chế tự sửa chữa của tế bào, đoạn DNA sau khi bị cắt sẽ được hàn gắn lại theo 2 con đường:

• Con đường ghép nối không tương đồng (non-homologous end joing NHEJ: sẽ tạo ra các đột biến mất hoặc mất nucleotide.
• Con đường sửa chữa tái tổ hợp tương đồng (homology directed repair – HDR): sử dụng khuôn mẫu có trình tự tương đồng ở khớp nối nên bảo toàn được trình tự DNA. Thông qua cơ chế cắt và nối DNA này các nhà khoa học có thể thêm, xoá, thay đổi trình tự DNA trong hệ gen. Công cụ CRISPR được ví như một chiếc “kéo sinh học” giúp các nhà khoa học có thể dung làm “phẫu thuật phân tử” nhờ khả năng cắt một cách chính xác tại vị trí mong muốn và từ đó giúp chỉnh sửa hệ gen trong tế.

Cơ chế tự sửa chữa của tế bào của hệ thống CRISPR

Hệ thống CRISPR giúp enzyme cắt DNA (Cas9) nhận biết trình tự đặc hiệu thông qua RNA dẫn đường (“guide RNA”, gRNA) có chiều dài khoảng 18 đến 20 base và bổ sung với trình tự đích. Để có thể giúp Cas9 nhận biết thành công trình tự mục tiêu, trong trình tự bộ gen đích phải có một đoạn trình tự protospacer adjacent motif (PAM) ngay sau trình tự đích và thường là 5’-NGG-3’, trong đó N là một nucleotit bất kỳ. Khi phức hợp Cas9/gRNA bám vào trình tự mục tiêu, enzyme Cas9 sẽ cắt đoạn DNA ở cả 2 mạch tại vị trí nucleotit thứ ba và thứ tư phía trước trình tự PAM.

Hình 1: Phức hệ CRISPR/Cas9 (nguồn ThermoFisher)

Theo cơ chế tự sửa chữa của tế bào, đoạn DNA sau khi bị cắt sẽ được hàn gắn lại theo 2 con đường: con đường ghép nối không tương đồng (non-homologous end joing NHEJ và con đường sửa chữa tái tổ hợp tương đồng (homology directed repair – HDR). Con đường sửa chữa NHEJ sẽ tạo ra các đột biến mất hoặc mất nucleotide, trong khi con đường sửa chữa HDR sử dụng khuôn mẫu có trình tự tương đồng ở khớp nối nên bảo toàn được trình tự DNA. Thông qua cơ chế cắt và nối DNA này ta có thể thêm, xoá, thay đổi trình tự DNA trong hệ gen.

Hình 2 CRISPR/Cas9 cắt đứt sợi mục tiêu. Sự phân tách xảy ra trên cả hai chuỗi, 3 bp của chuỗi mô-đun liền kề NGG proto-spacer (PAM) nằm trên đầu 3 của chuỗi mục tiêu (nguồn ThermoFisher)

Do chỉ cần thiết kế một gRNA mới khi cần cắt một trình tự mục tiêu trong cùng một hệ gen chủ, chỉnh sửa hệ gen bằng CRISPR/Cas9 trở nên vừa đơn giản vừa linh hoạt và dễ thao tác. Mặt khác, khi kết hợp nhiều gRNA, hệ thống CRISPR/Cas9 cho phép cắt nhiều mục tiêu cùng lúc. Với việc thiết kế đơn giản và hiệu quả cao đồng thời có thể sử dụng đối với nhiều loại tế bào khác nhau và nhiều gen cùng lúc, CRISPR/Cas9 thực sự là một hệ thống tiềm năng để biến đổi DNA bộ gen.

Vai trò của kỹ thuật chỉnh sửa gen

Công nghệ CRISPR-Cas9 đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học, y học, công nghệ sinh học và bảo vệ môi trường.

• Trong nghiên cứu: nó giúp giải mã chức năng gen, tạo mô hình bệnh trên động vật để hiểu rõ hơn về cơ chế bệnh lý.
• Trong y học: CRISPR được ứng dụng để điều trị bệnh di truyền, chỉnh sửa tế bào miễn dịch chống ung thư, loại bỏ virus như HIV, và có tiềm năng chỉnh sửa phôi thai để ngăn bệnh bẩm sinh.
• Công nghệ này cũng góp phần cải thiện giống cây trồng kháng sâu bệnh, chỉnh sửa gen vật nuôi để tăng khả năng chống bệnh tật, và sản xuất vi khuẩn công nghiệp phục vụ y dược.
• CRISPR: được dùng để kiểm soát loài muỗi truyền bệnh, phục hồi động vật có nguy cơ tuyệt chủng và phát triển nhiên liệu sinh học thân thiện với môi trường.

Ứng dụng của CRISPR-Cas9 trong đời sống

Trong công nghệ sinh học và nông nghiệp

Biến đổi gen cây trồng để tăng năng suất và khả năng chống chịu

CRISPR-Cas9 giúp cải tiến giống cây trồng, tạo ra các giống có năng suất cao hơn, kháng sâu bệnh tốt hơn và thích nghi với điều kiện môi trường khắc nghiệt như hạn hán hay đất mặn.
Ví dụ:
Cây lúa chỉnh sửa gen để tăng cường khả năng hấp thụ nitơ, giúp cây phát triển nhanh và giảm nhu cầu sử dụng phân bón.

Chỉnh sửa vi khuẩn để sản xuất nhiên liệu sinh học

CRISPR-Cas9 được sử dụng để chỉnh sửa gen của vi khuẩn giúp chúng chuyển hóa các chất hữu cơ thành nhiên liệu sinh học hiệu quả hơn.
Vi khuẩn biến đổi gen có thể sản xuất ethanol, butanol hoặc dầu diesel sinh học từ nguyên liệu tái tạo như mía hoặc tảo biển.

Ứng dụng trong chăn nuôi

CRISPR-Cas9 có thể được sử dụng để tạo ra vật nuôi có đặc điểm mong muốn, chẳng hạn như kháng bệnh tốt hơn, tăng trưởng nhanh hơn hoặc giảm phát thải khí methane từ bò.
Ví dụ: Lợn chỉnh sửa gen để có khả năng kháng virus PRRS (một loại virus gây bệnh suy giảm miễn dịch ở lợn).

Trong y khoa

Điều trị bệnh di truyền

Các bệnh di truyền do đột biến gen như bệnh hồng cầu hình liềm, xơ nang, loạn dưỡng cơ Duchenne có thể được chữa trị bằng cách sử dụng CRISPR-Cas9 để sửa chữa hoặc thay thế gen bị lỗi.

Ví dụ:
Bệnh xơ nang (Cystic Fibrosis) do đột biến gen CFTR có thể được điều trị bằng cách sửa chữa gen này trong tế bào phổi.

Điều trị ung thư

CRISPR-Cas9 giúp phát triển liệu pháp miễn dịch ung thư bằng cách chỉnh sửa tế bào miễn dịch để nhận diện và tiêu diệt tế bào ung thư tốt hơn.

Ví dụ: Các tế bào T trong hệ miễn dịch có thể được chỉnh sửa để tấn công các khối u ác tính mà không làm tổn hại các tế bào khỏe mạnh.

Chữa bệnh HIV/AIDS

CRISPR-Cas9 có thể được sử dụng để loại bỏ hoàn toàn virus HIV khỏi tế bào của bệnh nhân.

Ví dụ: Các thí nghiệm trên chuột đã cho thấy khả năng cắt bỏ thành công DNA của HIV ra khỏi bộ gen của tế bào bị nhiễm.

Chỉnh sửa gen trong phôi thai để ngăn chặn bệnh bẩm sinh

Công nghệ này có thể được sử dụng để sửa đổi gen trong giai đoạn phôi thai, giúp loại bỏ các đột biến gây bệnh trước khi một đứa trẻ được sinh ra.

Tuy nhiên: Việc chỉnh sửa gen phôi thai còn gây tranh cãi lớn về mặt đạo đức, vì nó có thể dẫn đến những thay đổi không lường trước trong hệ gen của thế hệ sau.

Phát triển vaccine và liệu pháp chống virus

• CRISPR-Cas9 giúp tạo ra các loại vaccine hiệu quả hơn, chẳng hạn như vaccine chống COVID-19.
• Công nghệ này còn có tiềm năng trong việc chống lại các virus nguy hiểm khác như Zika, Ebola.

Kết luận

Kỹ thuật chỉnh sửa gen đang mở ra một kỷ nguyên mới cho khoa học và y học, giúp con người kiểm soát và cải thiện sự sống theo những cách chưa từng có. Việc ứng dụng kỹ thuật chỉnh sửa gen một cách có trách nhiệm và minh bạch sẽ là chìa khóa để khai thác tối đa lợi ích của nó, hướng đến một tương lai nơi con người có thể ngăn ngừa bệnh tật và nâng cao chất lượng cuộc sống.