CRISPR Kĩ thuật mới mang lại tiềm năng chữa hầu hết các bệnh di truyền?

Câu chuyện kể về Tiến Sĩ Andrew Anzalone, thuộc Viện Harvard và MIT, Cambridge, Hoa Kỳ. Đó là vào một đêm cuối mùa thu năm 2017, khi ông sắp hoàn thành chương trình học tại Columbia, và là thời điểm mà tâm trí ông chỉ xoay quanh với những bài báo về kĩ thuật chỉnh sửa gen CRISPR, một ý tưởng đột phá nảy ra trong đầu ông ấy.

CRISPR là phương pháp tốt nhất trong việc phá vỡ DNA, tạo ra một đoạn cắt DNA với độ chính xác cực cao. Nhưng nếu bạn muốn thay thế một gen bị lỗi bằng một gen khỏe mạnh, mọi thứ trở nên phức tạp hơn rất nhiều. Hiện tại chưa có cách nào để khắc phục hiệu quả các biến thể di truyền là nguyên nhân gây bệnh mà không có sản phẩm phụ dư thừa.

Ngoài việc lập trình một đoạn RNA “dẫn đường” để cho CRISPR biết nơi cần cắt, bạn phải cung cấp một bản sao của DNA mới và hy vọng nó được đặt chính xác vào vị trí bạn muốn nhờ hệ vận chuyển tế bào. Bởi thường không có những cảnh báo nếu đoạn gen bị hư hỏng. TS. Andrew Anzalone tự hỏi, thay vì cách thông thường là kết hợp hai mảnh DNA đó lại, mà ta có một phân tử để cho CRISPR biết cả vị trí thay đổi và cái chúng ta cần thay đổi trên DNA thì thật hay. Lấy cảm hứng từ đó, ông liền vội vã phác thảo lại, và tìm cách hiện thực điều này.

Vài tháng sau, ý tưởng của TS. Andrew Anzalone được triển khai trong phòng thí nghiệm của Giáo sư, nhà hóa học David Liu, thuộc Viện hóa học Broad (Viện hóa học Broad của Harvard và MIT, là một trung tâm nghiên cứu y sinh và bộ gen nằm ở Cambridge, Massachusetts, Hoa Kỳ), người gần đây đã phát triển một loạt các công nghệ dùng CRISPR trong phẫu thuật, chúng được biết đến với cái tên “base editors” (như một công nghệ chỉnh sửa gen ở mức cơ bản). TS. Andrew Anzalone đã cùng tham gia và cộng tác với GS. David Liu và các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm của ông vào năm 2018 và để cùng nhau hiện thực “tác phẩm” CRISPR thông qua trí tưởng tượng của các học giả trẻ tuổi.

Sau rất nhiều thử nghiệm và thất bại, cuối cùng nhóm các nhà khoa học đã tìm thấy một thứ thậm chí còn mạnh mẽ hơn dự kiến ban đầu, phòng thí nghiệm của GS. David Liu đặt tên khám phá mới này là “Prime editing” (sự điều chỉnh tuyệt vời).

GS. David Liu chia sẻ với các phóng viên: Đây là công nghệ đầu tiên, có thể thực hiện hầu hết các thay đổi trên DNA như thêm, xóa, hay hoán đổi bất kỳ một nucleotide đơn lẻ nào bằng các nucleotide khác mà không cần cắt đứt chuỗi xoắn kép DNA. Nếu CRISPR-Cas9 giống như một cái kéo và “base editors” giống như chiếc bút chì, thì bạn có thể nghĩ “Prime editors” (như một công nghệ chỉnh sửa gen ở mức độ cao cấp) giống như các bộ xử lý văn bản – “Prime editors” được đánh giá là một công cụ nhanh và mạnh mẽ hơn nhiều.

Tại sao “Prime editors” được xem như một phát kiến lớn?

Bởi vì với công cụ có thể sửa chữa mã di truyền hiệu quả như vậy, theo tính toán của GS. David Liu, “Prime editors” có thể sửa chính xác khoảng 89% các đột biến là nguyên nhân gây ra những bệnh di truyền ở người. Trong quá trình nghiên cứu, phòng thí nghiệm của ông đã sử dụng các “Prime editors” để khắc phục các biến dị di truyền gây ra bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm (đòi hỏi chuyển đổi HBB), bệnh u xơ nang và bệnh Tay-Sachs (đòi hỏi loại bỏ HEXA). Đó chỉ là ba trong số hơn 175 những chỉnh sửa mà “Prime editing” làm được trong công bố gần đây hôm 21/10/2019 trên một bài báo khoa học của tạp chí Nature.

Theo Tiến sĩ, nhà di truyền học Gaétan Burgio, thuộc Đại học Quốc gia Australia – người không tham gia vào nghiên cứu đã đưa ra những nhận định khách quan rằng: Đây là ứng dụng có tiềm năng mạnh mẽ để thay đổi cách chúng ta chỉnh sửa các tế bào hoặc làm biến đổi nó. Ông đặc biệt ấn tượng với hàng loạt các thay đổi mà “Prime editing” có thể làm, bao gồm thêm tới 44 Nucleotid và xóa tới 80 Nucleotid. Một cách tổng thể, hiệu quả chỉnh sửa và tính linh hoạt thể hiện trong nghiên cứu này rất đáng chú ý.

Phương pháp CRISPR cổ điển là công cụ chỉnh sửa gen được sử dụng rộng rãi nhất, được tạo thành từ hai phần: enzyme cắt DNA có tên Cas9 và chuỗi RNA dẫn đường. Những enzym khác có thể được chỉ dẫn để làm những việc khác nhau, gắn vào một gen để bất hoạt nó, hoặc thay thế một Nucleotid này bằng một Nucleotid khác.

“Prime editor” của TS. Andrew Anzalone mang đến nhiều khác biệt. Enzyme của “Prime editor” là hai loại đã được hợp nhất với nhau thành một phân tử hoạt động giống như dao mổ kết hợp với một tác nhân gọi là enzyme phiên mã ngược, chuyển đổi RNA thành DNA. RNA dẫn đường trong công nghệ của của TS. Andrew Anzalone cũng có sự khác biệt: Nó không chỉ đơn thuần tìm tới DNA cần được sửa chữa, mà còn mang theo một bản sao được chỉnh sửa để gắn vào. Khi xác định được vị trí DNA mục tiêu của mình, nó tạo ra một vết cắt nhỏ và sự phiên mã ngược xảy ra, nó bắt đầu thêm những Nucleotide đã được chỉnh sửa một cách liên tiếp, từng đơn vị một. Kết quả tạo ra 2 đoạn DNA là một chuỗi gốc và một chuỗi đã chỉnh sửa. Sau đó, hệ thống sửa chữa tế bào DNA sẽ đột nhập vào để cắt bỏ đoạn DNA gốc, và đoạn DNA đã chỉnh sửa được lắp vĩnh viễn vào vị trí mong muốn.

Kỹ thuật này mang đến sự linh hoạt hơn nhiều khi chỉnh sửa DNA. Trong khi công nghệ “base editors” chỉ có thể làm thay đổi các cặp Nucleotide trên DNA chẳng hạn như thay đổi cặp Nucleotide G-C thành cặp A-T, còn “Prime editors” có thể làm thay đổi bất kì Nucleotide nào, “Prime editors” cũng ít mắc lỗi hơn. GS. David Liu cho biết: chúng tôi tin rằng điều này phát sinh từ thực tế rằng “Prime editors” đòi hỏi ba bước ghép cặp khác nhau còn phức hợp CRISPR-Cas9 thì chỉ cần một. Nếu bất kỳ bước nào trong ba bước đó thất bại thì “Prime editors” không thể tiến hành. Hiện tại, nhóm chuyên gia vẫn cần thêm thời gian để kiểm tra lại các lý thuyết này.

Vấn đề nan giải hơn là các “Prime editors” có kích thước rất lớn về mặt phân tử. Chúng lớn đến nỗi chúng không thể gắn gọn vào các virus mà các nhà nghiên cứu thường sử dụng để đưa các thành phần chỉnh sửa vào tế bào. Nó thậm chí có thể làm tắc một vi kim tiêm, gây khó khăn cho việc đưa vào phôi chuột (hoặc tiến tới, có khả năng là con người). Đó chính là rào cản hiện tại cho kỹ thuật “Prime editors” khi đưa vào ứng dụng thực tế so với các kỹ thuật hiện có.

Nhưng điều đó không ngăn cản GS. David Liu, TS. Andrew Anzalone và nhóm các nhà khoa học tiếp tục tiến lên phía trước với kế hoạch ứng dụng “Prime editing” cho bệnh nhân. TS. Andrew Anzalone chia sẻ sự ngạc nhiên khi ý tưởng của mình đã là nền tảng cho một công nghệ đột phá. GS. David Liu cũng đã đồng sáng lập một công ty có tên Prime Medicine được cấp phép công nghệ từ Viện hóa học Broad, Hoa Kỳ để phát triển phương pháp điều trị các bệnh di truyền. Công ty về công nghệ chỉnh sửa gen căn bản – “base editing” của GS. David Liu mang tên Beam Therapeutics, cũng đã được cấp giấy phép cho một số lĩnh vực nhất định. Các nhà nghiên cứu khác sẽ có thể tự do truy cập công nghệ bằng cách sử dụng kho lưu trữ phi lợi nhuận có tên Addgene, nơi nhóm các nhà khoa học của GS. David Liu đã đặt bản thiết kế DNA để tạo ra “Prime editors”. Tuy nhiên, có thể sẽ mất nhiều năm để các thí nghiệm đầu tiên trên người được bắt đầu.

CRISPR-Cas9: là sự kết hợp với các enzyme cắt Cas9 (CRISPR-protein 9). Sau đó, phức hệ CRISPR-Cas9 tìm kiếm DNA mục tiêu phù hợp và enzyme cắt Cas9 cắt chúng ra bằng cách phá vỡ xoắn kép trên cả hai sợi DNA.

Nguồn: wired.com