Trong một nghiên cứu trên tạp chí Nature Plants, Yiping Qi, phó giáo sư Khoa học Thực vật tại Đại học Maryland (UMD) đã giới thiệu một hệ thống CRISPR 3.0 cải tiến mới ở thực vật, tập trung vào việc hoạt hóa gen thay cho kỹ thuật chỉnh sửa gen truyền thống. Hệ thống CRISPR thế hệ thứ ba này tập trung vào việc hoạt hóa đa gen, có nghĩa là nó có thể tăng cường chức năng của nhiều gen cùng một lúc. Theo các nhà nghiên cứu, hệ thống này có khả năng hoạt hóa gấp 4 đến 6 lần công nghệ CRISPR hiện đại, thể hiện độ chính xác và hiệu quả cao khi có thể hoạt hóa lên tới 7 gen cùng lúc. Trong khi CRISPR thường được biết đến nhiều hơn với khả năng chỉnh sửa và làm bất hoạt các gen không mong muốn, việc hoạt hóa các gen để đạt được chức năng là điều cần thiết để tạo ra các loại cây trồng tốt hơn cho tương lai.

Phó giáo sư Qi giải thích: “mặc dù phòng thí nghiệm của tôi trước đây đã tạo ra hệ thống chỉnh sửa đa gen, nhưng việc chỉnh sửa chủ yếu là làm mất chức năng gen để cải thiện cây trồng. Nhưng nếu bạn nghĩ xa hơn, chiến lược này rất hữu hạn, bởi vì nguồn gen mà bạn có thể làm mất chức năng mà vẫn thu được lợi ích từ nó không phải là vô tận. Về mặt logic, đó là một cách rất hạn chế để thiết kế và lai tạo các tính trạng tốt hơn, trong khi đó, thực vật có thể đã tiến hoá để có các con đường chuyển hoá, cơ chế bảo vệ và tính trạng khác nhau mà chúng ta chỉ cần thúc đẩy nó. Thông qua việc hoạt hóa, bạn có thể thúc đẩy con đường chuyển hoá, tăng cường khả năng sẵn có của cây và thậm chí có thể đạt được một chức năng mới. Thay vì bất hoạt gen, ta có thể thu được lợi ích từ những chức năng sẵn có trong bộ gen và tăng cường những gì chúng ta biết là hữu dụng”.

Trong bài báo mới của mình, Qi và nhóm của ông đã kiểm chứng hệ thống CRISPR 3.0 trên lúa, cà chua và Arabidopsis. Nhóm nghiên cứu đã cho thấy rằng có thể hoạt hóa đồng thời nhiều gen bao gồm cả việc ra hoa nhanh hơn để đẩy nhanh quá trình lai tạo giống. “Nhưng đây chỉ một trong những lợi ích của hoạt hóa đa gen mang lại” Qi nói.

Việc có một quy trình hợp lý hơn cho việc hoạt gen đa gen có thể mang lại những bước đột phá đáng kể. Ví dụ như việc sử dụng công nghệ này để sàng lọc bộ gen hiệu quả và năng suất hơn cho các gen có thể giúp chống lại biến đổi khí hậu và nạn đói toàn cầu. Ta có thể thiết kế, điều chỉnh và theo dõi sự hoạt hóa gen bằng hệ thống mới này trên quy mô lớn hơn để sàng lọc các gen quan trọng và điều đó sẽ tạo cơ sở cho việc khám phá và khoa học giải mã ở thực vật.

CRISPR thường được coi là “kéo phân tử” có thể cắt DNA, hệ thống hoạt hóa này sử dụng CRISPR-Cas9 bất hoạt nên chỉ có thể liên kết thay vì cắt. Khi không có khả năng cắt, hệ thống có thể tập trung vào việc sử dụng các protein hoạt hóa cho các gen cụ thể bằng cách liên kết với một số đoạn DNA nhất định. Qi cũng đã thử nghiệm biến thể SpRY của CRISPR-Cas9 giúp mở rộng đáng kể phạm vi các gen có thể được hoạt hóa, cũng như dạng bất hoạt của hệ thống CRISPR-Cas12b gần đây của ông ấy để thể hiện tính linh hoạt của các hệ thống CRISPR. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của việc mở rộng hoạt hóa đa gen có thể làm thay đổi cách thức hoạt động của kỹ thuật gen.

“Mọi người luôn nói về việc các cá nhân có tiềm năng như thế nào nếu bạn có thể nuôi dưỡng và phát huy tài năng thiên bẩm của họ. Công nghệ này khiến ông hứng thú vì đang thúc đẩy điều tương tự ở thực vật - làm thế nào có thể kích thích tiềm năng của chúng để giúp thực vật làm được nhiều thứ hơn với khả năng tự nhiên của chúng. Đó là những gì mà hoạt hóa đa gen có thể làm và nó mang lại cho chúng ta rất nhiều cơ hội mới cho lai tạo giống và cải tiến cây trồng.