Các nhà nghiên cứu của UMD phát triển những tiến bộ mới nhất cho CRISPR với một phương pháp chỉnh sửa và điều chỉnh nhiều gen đồng thời.

Bên trái: mầm cây dương có chứa gen chỉnh sửa CRISPR. Ở bên phải, mầm cây dương có cùng CRISPR chỉnh sửa cộng với cải tiến gen để cải thiện tốc độ tăng trưởng.

Mười năm trước, một công nghệ mới được gọi là CRISPR-CAS9, giúp các nhà khoa học có thể thay đổi mã di truyền của các sinh vật sống. Dù mang tính cách mạng nhưng công cụ này cũng có những hạn chế. Giống như những chiếc điện thoại di động đầu tiên chỉ có thể thực hiện một chức năng, phương pháp CRISPR ban đầu có thể thực hiện một chức năng: loại bỏ hoặc thay thế các gen trong chuỗi di truyền. Các lần lặp lại sau đó của CRISPR được phát triển cho một chức năng khác cho phép các nhà khoa học thay đổi biểu hiện gen bằng cách bật hoặc tắt chúng mà không cần loại bỏ chúng khỏi bộ gen. Nhưng mỗi chức năng này chỉ có thể được thực hiện độc lập ở thực vật.

Giờ đây, các nhà khoa học từ Trường Cao đẳng Nông nghiệp và Tài nguyên Thiên nhiên thuộc Đại học Maryland đã phát triển CRISPR-Combo, một phương pháp chỉnh sửa nhiều gen ở thực vật đồng thời thay đổi sự biểu hiện của các gen khác. Công cụ mới này sẽ cho phép các tổ hợp kỹ thuật di truyền hoạt động cùng nhau để tăng cường chức năng và cải thiện việc lai tạo các loại cây trồng mới.

Yiping Qi, phó giáo sư tại Khoa Khoa học Thực vật và Kiến trúc Cảnh quan đồng thời là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Khả năng thực sự là vô hạn về các đặc điểm có thể kết hợp với nhau. Nhưng điều thực sự thú vị là CRISPR-Combo giới thiệu một mức độ tinh vi trong kỹ thuật di truyền ở thực vật mà trước đây chúng ta chưa có”.

Nghiên cứu mới này được đăng trên tạp chí Nature Plants số ra tháng 5 năm 2022

Lợi ích của việc điều kiển nhiều hơn một gen cùng một lúc có thể vượt xa lợi ích của việc điều khiển bất kỳ gen nào. Ví dụ, hãy tưởng tượng một trận cháy lá hoành hành trên các cánh đồng lúa mì, đe dọa sinh kế của nông dân và an ninh lương thực. Nếu các nhà khoa học có thể loại bỏ một gen làm cho lúa mì nhạy cảm với bệnh bạc lá và đồng thời kích hoạt các gen rút ngắn vòng đời của cây và tăng sản lượng hạt, họ có thể nhanh chóng tạo ra lúa mì kháng bệnh bạc lá trước khi bệnh có cơ hội phát sinh quá nhiều.

Đó là kiểu kỹ thuật mà Qi và nhóm của ông đã thể hiện trong bốn giai đoạn thử nghiệm khác nhau.

Bước một: Chứng minh khái niệm

Qi và nhóm của ông trước đây đã phát triển phương pháp CRISPR mới để điều chỉnh sự biểu hiện gen ở thực vật và chỉnh sửa nhiều gen cùng một lúc. Nhưng để phát triển CRISPR-Combo, họ phải xác định rằng họ có thể thực hiện song song cả hai chức năng kỹ thuật di truyền đó mà không có hậu quả tiêu cực. Trong bài báo mới này, họ đã chứng minh khi sử dụng tế bào cà chua và gạo.

“Như một bằng chứng về khái niệm, chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể loại bỏ gen A và điều chỉnh hoặc kích hoạt thành công gen B mà không vô tình vượt qua và loại bỏ gen B hoặc điều hòa gen A”, Qi nói.

Sau đó Qi và các đồng nghiệp của ông đã thử nghiệm CRISPR-Combo trên một loài thực vật có hoa là cải xoong (Arabidopsis), thường được các nhà nghiên cứu sử dụng làm mô hình cho các loại cây trồng chủ lực như ngô và lúa mì. Các nhà nghiên cứu đã chỉnh sửa một gen giúp cây có khả năng kháng thuốc diệt cỏ tốt hơn trong khi kích hoạt một gen gây ra hoa sớm, giúp tạo ra hạt nhanh hơn. Kết quả là một cây cải xoong kháng thuốc diệt cỏ đã cho ra đời tám thế hệ trong một năm thay vì bốn thế hệ thông thường.

Kỹ thuật hiệu quả hơn

Đối với thí nghiệm thứ ba của họ, nhóm đã chứng minh cách CRISPR-Combo có thể cải thiện hiệu quả trong nhân giống cây trồng bằng cách sử dụng nuôi cấy mô từ cây dương. Các chương trình nhân giống để phát triển các giống cây trồng mới thường sử dụng phương pháp nuôi cấy mô thay vì hạt giống - xem xét cách cây có thể mọc lại rễ và lá từ một thân cây duy nhất được trồng trong đất. Các nhà khoa học biến đổi gen các tế bào gốc từ mô thực vật có khả năng phát triển thành cây hoàn chỉnh và khi những cây đó trưởng thành và tạo ra hạt, hạt sẽ mang các biến đổi gen.

Một số cây có khả năng tái sinh từ nuôi cấy mô tốt hơn những cây khác, điều này khiến bước này trở thành nút thắt lớn nhất trong kỹ thuật di truyền cây trồng. Đối với một số cây, tỷ lệ thành công chỉ là 1%.

Qi và nhóm của ông đã giải quyết nút thắt cổ chai bằng cách chỉnh sửa một vài đặc điểm trong tế bào cây dương, sau đó kích hoạt ba gen thúc đẩy tái tạo mô thực vật.

Qi cho biết: “Chúng tôi đã cho thấy phương pháp mới của chúng tôi có thể đưa ra giải pháp cho những khó khăn về tái tạo mô, làm tăng đáng kể hiệu quả của kỹ thuật di truyền”.

Cắt giảm không sử dụng hormone

Hiện nay, việc trồng cây biến đổi gen từ nuôi cấy mô đòi hỏi phải bổ sung các hormone tăng trưởng, kích hoạt các gen thúc đẩy tăng trưởng. Nhóm nghiên cứu rút ngắn quá trình này ở cây lúa bằng cách kích hoạt trực tiếp các gen này với CRISPR-Combo. Kết quả là lúa đã được chỉnh sửa gen từ nuôi cấy mô mà không cần bổ sung hormone.

Qi nói: “Phương pháp này dẫn đến quá trình chỉnh sửa bộ gen đạt hiệu quả cao”.

Giờ đây, nhóm đã chứng minh được phương pháp CRISPR-Combo của họ hoạt động trên nhiều loại cây trồng với nhiều mục đích khác nhau, họ dự định tiến hành các thí nghiệm trên cây có múi, cà rốt và khoai tây để kiểm tra khả năng tồn tại của nó trên một loại trái cây, rau và cây trồng chủ lực. Họ cũng đang nghiên cứu để tạo ra một loại gạo vàng kháng thuốc diệt cỏ với hàm lượng dinh dưỡng được nâng cao và gạo đỏ với chất chống oxy hóa tăng lên.

Bùi Anh Xuân theo Đại học Maryland.