23/4/2015
Ngành sinh học Việt Nam đã ứng dụng kỷ thuật
sinh học quan trọng nhất ngày nay chưa ? :
Kỷ thuật CRISP - Cụm đọan lặp ngắn, cách nhau đều đặn, suôi ngược như nhau
G S Tôn Thất Trình
Ruud Jansen , năm 2002 đặt tên CRISPR cho các cụm đọan lắp ngắn ngủi này
Cuối thập niên 1990, các nhà vi trùng học đã múc nước biển hay đất và mau lẹ làm trình tự của đa số DNA trong các mẩu . Kỷ thuật này lúc đó có tên là giao thế hệ gen- metagenomics phô bày những bánh mì kẹp di truyền lạ lùng trên một số đông lòai vì trùng. Chúng thờng xuyên đến nổi các nhà khoa học thấy cần thiết có một tên riêng gọi chúng , ngay cả khi họ vẫn chưa biết rỏ là những trình tự này dùng để làm gì. Năm 2002 Ruud Jansen ở Viện Đại học Utrecht University - Hòa Lan và các đồng nghiệp gán cho các bánh mì kẹp này tên “ Các cụm Đọan lặp ngắn xuôi ngược như nhau cách nhau đều đặn- Clustered regularly interspaced short palindromic repeats, viết tắt là CRISP. George Church , giáo sư di truyền học, Đại học Y khoa Harvard, đã không ngần ngại trả lời phỏng vấn CRISP là dự án ông thích thú nhất .
Nhóm Jensen nhận ra một cái gi khác về những trình tự CRISP: chúng luôn luôn theo sau dấu của một thu thập genes gần đó . Họ gọi những genes này là genes Cas, nghĩa la genes liên hệ đến CRISPR - associated genes . Những genes này làm mật mã - encode các enzym có thể cắt DNA , nhưng không một ai nói tại sao chúng làm như vậy hay tại sao chúng lại ngồi bên cạnh trình tự CRISPR.
Ba năm sau 3 nhóm khoa học độc lập lưu ý đến vài điều gì quái lạ về các miếng đệm - chia cách CRISPR này . Chúng rất giống DNA của virus ( vi rút ). Rồi thì tất cả điều này đập lách cách, theo lời Eugene Koonin .
Lúc đó, Koonin, nhà sinh học tiến trào của Trung tâm Quốc gia Hoa Kỳ về Thông tin Kỷ thuật sinh học tại Bethesda , bang Maryland , đã bối rối về CRISPR và genes Cas từ nhiều năm qua. Khi ông biết về khám phá các mảnh nhỏ DNA virus trên các miếng chia cắt CRISPR, ông nhận thức ngay là vi trùng đã dùng CRISPR như thể là một vỏ khí chống virus. Koonin đã biết là vi trùng không là nạn nhân thụ động các tấn công của virus. Chúng có nhiều đường bảo vệ - chống cự. Koonin nghĩ rằng CRISPR và các enzyms Cas cung cấp thêm một đường nữa. Theo giả thuyết Koonin , các vi khuẩn- bacteria chụp bắt các mảnh DNA vi rus . Rồi chúng nhét các mảnh virus này vào các trình tự CRISPR của mình. Sau đó , khi một virus khác tới nơi , vi khuẩn có thể dùng CRISPR làm một tấm lừa bịp để nhận kẻ xâm lăng.
Các nhà khoa học không biết đủ về chức năng của CRISPR và các enzyms Cas để cho Koonin có thể làm một giả thuyết chi tiết . Nhưng ý nghĩ của ông rất kích động đủ cho một nhà vi trùng học tên là Rodolphe Barrangou thử nghiệm nó. Theo Barrangou, ý kiến của Koonin không chỉ rất hấp dẫn mà có một tiềm năng đồ sộ cho chủ nhân hảng ông giúp việc lúc đó là hảng làm dô gua - yogourt Danisco. Danisco tùy thuộc vào vi khuẩn để chuyễn hóa sửa thành dô gua , và đôi khi tòan thể cấynuôi mất tiêu vì những bùng nổ các virus giết vi khuẩn. Nay Koonin đã giới thiệu là vi khuẩn có thể sử dụng CRISPR như là một vỏ khí chống lại các thù địch này.
Hầu thử nghiệm giả thuyết Koonin, Barrangou và các đồng nghiệp làm lây nhiễm vi trùng lên men sửa Streoptococcus thermophilus bằng hai dòng virus. Các virus giết chết rất nhiều vi khuẩn , nhưng vài vi khuẩn sống sót . Rồi khi các vi khuẩn kháng này nhân nhiều thêm lên , các con cháu chúng cũng tỏ ra sức kháng. Vài thay đổi di truyền đã xảy ra. Barrangou và các đồng nghiệp tìm thấy là các vi khuẩn chất đống các mảnh DNA từ hai virus vào các miếng chia cắt . Khi các nhà khoa học chặt các miếng chia cắt mới, các vi khuẩn mất sức kháng đi. Barrangou nay là phó giáo sư ở Viện Đại học North Carolina State University , nói rằng khám phá này giúp nhiều hảng chế tạo lựa chọn các trình tự CRISPR đặt mua ở các cấy nuôi hảng , cho nên các vi khuẩn có thể chịu đựng các bùng nổ virus . “ nếu bạn ăn dô gua và phó mát , bạn có nhiều cơ hội đã ăn các tế bào CRISPR - hóa” , theo Barrangou.
Cắt và dán vào
Khi CRISPR bắt đầu rời bỏ bí mật mình, Doudna trở nên tò mò . Doudna đã thành danh là một chuyên viên về RNA , một bà con chỉ có một dây chuổi single strand của DNA , Nguyên thủy , các nhà khoa học đã xem công việc chánh của RNA là một thể truyền tin - messenger . Các tế bào có thể làm ra một sao chép một gen sử dụng RNA, rồi thì dùng thể truyền tin RNA như là một khuôn mẩu - template xây đắp một protêin. Nhưng Doudna và các nhà khoa học khác soi sáng rất nhiều công việc khác RNA có thể làm ra, tỉ như hành động làm máy dò- sensors hay kiểm sóat họat động các genes.
Năm 2007 , Blake Weidenheft gia nhập la bô Doudna theo tư cách một nhà khảo cứu hậu tiến sĩ, năng nổ nghiên cứu cơ cấu các enzyms Cas, để hiểu rỏ cách nào chúng họat động. Doudna đồng ý với dự án, không phải cho là CRISPR có bất cứ một giá trị nào, nhưng chỉ nghĩ rằng hóa học có thể quá lặng yên - cool . Bà nói: bạn không cố tâm nhằm vào một mục đích đặc biệt nào, ngọai trừ hiểu biết ra”.
Khi Wiedenheft, Doudna, và các đồng nghiệp họ hình dung ra cơ cấu các enzyms Cas . họ bắt đầu nhìn thấy cách nào các phân tử họat động cùng nhau như một hệ thống. Khi một virus xâm lăng một vi trùng , tế bào chủ nhân tóm lấy một chút ít vật liêu di tuyền của virus , cảt mở toang DNA chính mình và nhét mảnh DNA virus vào một miếng chia cách . Một khi vùng CRISPR tràn đầy DNA virus , nó trở thành n một phòng triễn lãm phân tửmong đợi nhất . biểu hiện địch thù vi trùng muốn bắt gặp . Rồi vi trùng có thể sử dụng DNA virus này biến các enzyms Cas thành nhưng vỏ khí hướng dẫn đích xác . Vi trùng sao chép vật liệu di truyên ở mỗi miếng chia cách thành một phân tử RNA . Các enzyms Cas bắt đi một trong nhưng phân tử RNA và bế ẳm nó. Cả hai , RNA virus và các enzyms Cas, lang thang suốt tế bào . Nếu chúng gặp phải vật liệu di truyền từ một virus, sánh ngang được với RNA CRISPR, RNA sẽ bám chặt lấy. Các enzyms Cas sẽ xẻ DNA ra làm ha , ngăn ngừa không cho virus sao chép nữa.
Khi sinhhọc CRISPR trổi dậy , nó bắt đầu làm các bảo vệ phòng thủ vi trùng khác có vẽ như là sơ khai . Dùng CRISPR, vi trùng có thể, thật sự , lập trình hóa các enzyms mình để tìm kiếm bất cứ một trình tự DNA ngắn ngủi nào và chỉ tấn công riêng nó mà thôi. Doudna nói: “ Một khi chúng ta hiểu rỏ nó là một enzym cắt DNA có thể lập trình hóa được, đây là một chuyễn tiếp thích thú. Bà và các đồng nghiêp nhận thức là có thể sử dụng rất thuận tiện CRISPR . Doudna nhớ lại đã nghĩ : “ Trời đất ơi, nó có thể là một dụng cụ”. Đây không phải là lần đầu tiên, một nhà khoa học đã vay mượn một lừa bịp từ vi trùng để xây đắp một dụng cụ. Vài vi trùng bảo vệ mình chống xấm lăng bằng cách dùng những phân tử có tên là những enzyms hạn chế - restriction . Các enzyms này chẻ ra bất cứ DNA nào không được các khiên mộc- shields phân tử bảo vệ. Vi trùng khiên mộc che chở các genes của mình , rồi tấn công DNA trần truồng của viruses và các ký sinh trùng khác. Trong thập niên 1970, các nhà sinh học phân tử hình dung cách nào sử dụng các enzymes hạn chế để cắt DNA , khai sanh công nghệ kỷ thuật sinh học cận đại.
Trong các thập niên kế tiếp, công nghệ di truyền cải thiện phi thường , nhưng nó không tránh khỏi một nhược điểm căn bản: các enzyms hạn chế đã không tiến trào làm những cắt xén chính xác, chỉ xé tan DNA ngọai. Thành quả là nhà khoa học nào dùng các enzyms hạn chế cho kỷ thuật sinh học, có rất ít kiểm sóat nơi nào các enzyms họ cắt mở toang DNA .
Ở hệ thống CRISPR- Cas , Doudna và các đồng nghiệp chọn ra hệ thống CRISPR - Cas từ Steptococcus pyogenes vi khuẩn gây ra cổ họng bị đau( nhiễm trùng ) strep. Đây là một hệ thống họ đã biết rất rỏ và đã họat động biết chức năng của enzym chánh hệ thống, gọi nó là Cas9 . Doudna và các đồng nghiệp hình gung cách nào cung cấp Cas9 với một phân tử RNA sánh được một trình tự DNA họ muốn cắt xén. Rồi phân tử RNA sẽ hướng dẫn dọc suốt DNA đến vị trí mục tiêu, rồi enzym sẽ làm vụ cắt xén. Sử dụng hai enzyms Cas9 ,các nhà khoa học có thể làm ra một cặp miếng cắt- snips , chặt bổ bất cứ một khúc đọan DNA nào họ mong muốn . Rồi họ có thể o bế một tế bào dán gene mới vào một chia cách mở toang. Rồi, Doudna và các đồng nghiệp sáng chế ra một dịch bản sinh học của tìm kiếm - và- thay thế, một dịch bản có thể họat động ảo ảnh bất cứ một lòai nào họ lựa chọn sử dụng.
Tuy những thành quả này rất quan trọng, các nhà vi trùng học vẫn phải đương đầu những ảnh hưởng CRISPR sâu đậm hơn. Chúng trình bày cho họ biết là vi trùng có những khả năng chưa ai tưởng tượng ra trước đây. Trước khi khám phá CRISPR, mọi phòng thủ là vi trùng được biết là sử dụng chống lại virus rất đơn giản , một - cở- thích nghi - mọi chiến lược . Enzyms hạn chế , chẳng hạn, sẽ phá hũy mọi mảnh DNA không bảo vệ. Các nhà khoa học gọi kiểu bảo vệ này là miễn nhiễm bẩm sinh. Chúng ta cũng đã có miễn nhiễm bẩm sinh , nhưng trên chóp nó , chúng ta cũng sử dụng một hệ thống miễn nhiễm hòan tòan khác biệt để chiến đấu chống các mầm bệnh: một hệ thống học hỏi về kẻ thù địch chúng ta. Cái gọi là hệ thống miễn nhiễm thích nghi- adaptive được tổ chức quanh một bộ các tế bào miễn nhiểm nuốt lốn các mầm bệnh , rồi trình các khúc đọan chúng, tên gọi là gen kháng - antigens , cho các tế bào miễn nhiễm. Nếu một tế bào miễn nhiễm dính chặt vào gen kháng, tế bào sẽ nhân lên . Tiến trình phân bào cộng thêm vài thay đổi ngẩu nhiên cho các gen chất nhận -receptor genes gen kháng của tế bào . Vài ca hiếm có , các thay đổi biến đổi chất nhận theophương cách là để cho nó chụp bắt gen kháng một cách chặc chẻ hơn nữa. Các tế bào mĩen nhiễm có chất nhận cải thiện sau đó sẽ nhận thêm nhiều hơn nữa.
Thành quả chu kỳ này là một đội quân tế bào miễn nhiễm với các chất nhận có thể dính chặc mau lẹ hơn nữa ở một lọai mầm bệnh đặc biệt , biến chúng thành những kẻ sát nhân chính xác. Các tế bào miễn nhiễm khác sản xuất các kháng thể - antibodies cũng có thể chụp bắt các gen kháng và giúp giết chết mầm bệnh. Cần vài ngày cho hệ thống miễn nhiễm thích nghi học hỏi các nhận diện virus sởi - measle virus , chẳng hạn, và làm sạch hết chúng .
. Nhưng một khi lây nhiễm chấm dứt , chúng ta vẫn nắm giữ những bộ nhớ miễn nhiễm này. Vài tế bào miễn nhiễm cắt may cho bệnh sởi tồn tại trong chúng ta suốt đời chúng ta, sẳn sàng để tấn công một lần nữa.
Một Lọai Tiến trào mới
CRISPR là một hệ thống miễn nhiễm thích nghi đáng kinh ngạc vì một lý do khác : các bài học của nó có thể di truyền. Dân gian khộng thể chuyễn gens các kháng thể cho con cháu vì chỉ có các tế bào miễn nhiễm mới phát triễn chúng. Không có cách nào thông tin này chuyễn vào trong trứng hay tinh trùng. Thành quả là con cháu phải bắt đầu học hỏi về các keẻ thù không nhìn thấy từ vết thải đầu tiên .
CRISPR khác hẳn. Vì vi trùng là vật thể độc bào- single cells, DNA chúng biến đổi để chống viruses cũng là DNA chúng di hưởng cho con cháu . Nói một cách khác kinh nghiệm chúng có làm biến đổi genes và thay đổi này được di hưởng qua nhiều thế hệ. Sinh viên học lịch sử của ngành sinh học đều biết là nhà thiên nhiên học Jean Baptist Lamarck Pháp, đầu thế kỷ thứ 19, biện cứ cho di hưởng các tính trạng thâu thập được - acquired traits. Tiến triễn di truyền học tuồng như thảy bỏ ý kiến này . Nó không hiện ra ở bất cứ thí nghiệm nào thay đổi các genes mà các sinh vật di hưởng qua con cháu . Nhưng CRISPR tiết lộ là vi trùng viết lại DNA của chúng với thông tin vê các thù địch chúng, thông tin Barrangou trình bày là có thể làm ra khác biệt giữa đời sống và chết chóc cho con cháu . Theo Koonin , điều này có nghĩa là CRISPR thỏa mãn đầy đủ cho thuyết di hưởng của Lamarck ?
Vậy chớ cách nào vi trùng phát triễn những khả năng này ? Kể từ khi các nhà vi trùng học bắt đầu khám phá ra các hệ thống CRISPR-Cas ở nhiều lòai khác nhau . Koonin và các đồng nghiệp đã tái dựng tiến trào các hệ thống. Các hệ thống CRISPR- Cas sử dụng một số lượng đồ sộ những enzyms khác biệt nhau. Nhưng tất cả mọi hệ thống thảy đều chứa một enzym chung tên gọi là Cas1 . Công việc của enzym phổ quát này là chụp bắt DNA virus đang đi tới và nhét nó vào các mảnh chia cách CRISPR spacers. Mới đây Koonin và các đồng nghiệp khám phá một cái có thể là nguồn gốc các enzyms Cas1 .
Song song với các genes mình, mang theo những băng trải dài có tên là yếu tố di động - mobile elements , hành động như thể là các ký sinh . Các yếu tố di động chứa những genes cho các enzyms chỉ hiện diện duy nhất để làm những sao chép mới DNA của chúng, cắt mở toang hệ gen của chủ nhà chúng ,và nhét sao chép mới. Đôi khi, các yếu tố di động cũng nhảy vọt từ một chủ nhà này đến chủ nhà khác, hoặc bằng đi nhờ xe với một virus hay bằng những phương tiện khác, và lan tràn khắp hệ gen của chủ nhà mới. Koonin và các đồng nghiệp khám phá ra một nhóm yêu tố di động tên gọi là Casposons, làm ra những enzyms gần như tương tự Cas1. Trong bài mới đăng ở Nature Reviews Genetics , Koonin và Mart Krupovic thuộc viện Pasteur - Ba Lê, biện cứ rằng hệ thống CRISPR- Cas khởi sự khi các đột biến - mutations biến đổi caposons từ thù địch qua bạn hửu. Các enzyms cắt DNA bị thuần hóa, có một chức năng mới: tồn trữ các DNA virus bị chụp bắt như thể là thành phần của hệ thống miễn nhiễm bảo vệ - phòng thủ.
Trong khi CRISPR có thể có một nguồn gốc duy nhất , nó nở rộ thành một lọat phân tử đa dạng phi thường. Koonin tin rằng các virus có trách nhiệm về vụ này. Một khi chúng đối diện phòng thủ chính xác, uy vũ của CRISPR, các virus tiến trào đển đào thóat. Các genes chúng thay đổi trình tự để cho CRISPR không thể cài then dễ dàng vào chúng. Và các viruses cũng tiến trào phân tử, có cơ chận đứng các enzyms Cas. Vi trùng trả lời bằng cách cũng tiến trào. Chúng nhận thêm các chiến lược mới sử dụng CRISPR mà các viruses không chống trả được. Sau nhiều ngàn năm, nói một cách khác, tiến trào cư xử như thể một la bô thiên nhiên, đến nơi cùng những mẹo mới để biến đổi DNA .
Biên tập hệ gen theo 6 bước dễ dàng
- Bước 1 - Nhét DNA CRISPR vào trong tế bào chủ nhà ( chủ nhân )
- Bước 2 - Bộ máy móc tế bào sao chép, phiên mã -transcribe DNA này thành một nuclease ( protêin và RNA )
- Bước 3 - Nuclease rà dò, can- scans DNA chủ nhà cho một trình tự mục tiêu - target sequence
- Bước 4 - Nuclease cắt DNA chủ nhà ở mục tiêu thành ra:
- Bước 5A: Với một cắt xén, CRISPR có thể nhét một trình tự gen đặt hàng-custom gene . Bước 5B : Với 2 cắt xén, hai CRISPR có thể cắt bỏ DNA
- Bước 6 - tế bào chủ nhà phân (chia ) bào với DNA mới
Ứng dụng của dụng cụ CRISPR
Như đã nói trên, dụng cụ CRISPR có thể báo trước khởi sự một cuộc Cách Mạng ở ngành công nghệ di truyền - genetic engineering . Nhưng hiểu rỏ tại sao, đòi hỏi phải biết làm vài điểm. Sửa đổi genes làm ra nó đòi hỏi một tiến trình khó nhọc. : và các nhà khoa học sẽ phải giết chết một tế bào, thao tác nó, rồi lại phải nhét nó vào. Có khá nhiều dụng cụ nay cung cấp một đường tắt và CRISPR là đường tắt hửu hiệu nhất . Phức tạp protêin của nó đổi chác một trình tự mục tiêu di truyền với một trình tự mục tiêu khác, giúp cho các nhà khoa học làm công nghệ DNA trong các tê bào sống , theo những tốc độ chưa từng thấy.
Dùng CRISPR, các nhà khoa học có thể sửa đổi genes hầu ngăn ngừa bệnh , làm chậm hiện tượng gìà cổi - aging, đem trở lại các lòai đã tuyệt tích, ngay cả phát triễn những nhiên liệu mới mẽ . Triễn vọng hầu như gần vô hạn !
( Chiếu theo Carl Zimmer Quanta Magazine, ngày 6 tháng 2 năm 2015 và Jeneen Interlandi, báo Popular Science số tháng 5 năm 2015)
( Irvine , Nam Ca Li - Hoa Kỳ ngày 18 tháng 4 năm 2015 )
