Hình ảnh minh họa quá trình chỉnh sửa gene

Một trở ngại lớn của việc chỉnh sửa bộ gene trong tế bào đó chính là bản thân tế bào.

“Các tế bào người không thích nhận mọi thứ vào”, theo Norbert Reich, một giáo sư thuộc Khoa Hóa và Hóa Sinh, Đại học UC Santa Barbara giải thích. Tế bào người đã phát triển một bộ máy “xử lý rác” giúp cách ly và phân giải các protein ngoại lai cũng như các phân tử sinh học không mong muốn, mầm bệnh và kể cả các cấu trúc tế bào bị hư tổn. Vì vậy, đối với các nhà khoa học trong lĩnh vực sinh học phân tử, sinh dược học, nghiên cứu bộ gene và trị liệu – chẳng hạn như những nhà nghiên cứu kỹ thuật chỉnh sửa bộ gene CRISPR-Cas9 – các kết quả chỉ tốt khi họ vượt qua bộ máy bảo vệ này và đưa các protein vào trong tế bào một cách chính xác và hiệu quả.

Reich và đội ngũ của ông đã phát triển một phương pháp như vậy. Kỹ thuật của họ, ước tính hiệu quả hơn gấp 100 đến 1000 lần so với các phương pháp hiện tại, giúp người sử dụng kiểm soát hoàn toàn theo không gian và thời gian quá trình vận chuyển công cụ chỉnh sửa bộ gene vào trong tế bào, và cho phép họ quyết định chính xác khi nào và ở đâu để giải phóng các protein chỉnh sửa bộ gene.

“Chúng tôi thực sự có thể tác động đến từng tế bào đơn lẻ,” Reich phát biểu. “Chúng tôi thậm chí có thể tác động vào từng phần của một tế bào và giải phóng protein chỉ vào phần tế bào mong muốn. Nhưng điểm chính là chúng tôi có thể kiểm soát địa điểm và thời gian mà protein cắt DNA này được giải phóng”.

 Nghiên cứu của nhóm Reich, “Công cụ chỉnh sửa bộ gene Cre-Recombinase được kích hoạt nhờ ánh sáng cận hồng ngoại”, xuất hiện trên tạp chí Small. 

Một tiến bộ đáng chú ý gần đây trong lĩnh vực công nghệ sinh học là việc sử dụng các protein chỉnh sửa gene – các “kéo phân tử” như CRISPR, Cas và trong nghiên cứu này là Cre – để tìm, cắt và chèn những phần cụ thể của trình tự DNA mục tiêu. Có nguồn gốc là một bộ máy bảo vệ được vi khuẩn và cổ vi khuẩn sử dụng để nhận diện DNA từ virus tấn công và đánh dấu chúng để tiêu diệt, các nhà khoa học đã phát triển các phương pháp nhận diện, cắt và gắn các trình tự có chiều dài khác nhau, sử dụng các protein khác nhau. Tiềm năng của công nghệ này là rất lớn, đi từ các nghiên cứu cơ bản để xác định chức năng và nhận biết các gene cho đến các liệu pháp sửa chữa những khiếm khuyết ở mức độ tế bào.

Chìa khóa của công cụ chỉnh sửa gene kích hoạt nhờ ánh sáng của nhóm nghiên cứu Reich là những hạt nano vàng rỗng bao lấy đoạn DNA chỉ thị (phát huỳnh quang đỏ) và một protein dung hợp Cre recombinase và các peptide thâm nhập tế bào cùng với ánh sáng cận hồng ngoại.

“Bây giờ chúng ta có một thiết bị dẫn đường và một chất vận chuyển”, Reich nói và giải thích rằng Cre recombinase và peptide dung hợp đóng vai trò là hệ thống hướng đích, một thứ thực hiện vai trò khi tế bào đích thực hiện việc thải loại rác tế bào của mình.

Một khi được đưa vào tế bào, các vỏ nano được bao trong một endosome – một bóng màng cách ly và vận chuyển nó vào trong tế bào.

“Nhưng vỏ nano không làm gì cả bởi vì chúng đã bị bắt giữ”, Reich nói. Ánh sáng lase cận hồng ngoại xung cực nhanh – thứ vô hại đối với tế bào và có hiệu quả trong việc xuyên qua mô – sau đó được nhắm vào bóng nano bị bắt giữ và protein bên trong chúng.

“Bước sóng cận hồng ngoại gây ra một điều thật sự thú vị,” Reich nói. “Nó làm bóng nano vàng bị kích thích và làm giải phóng bất kì thứ gì chúng tôi gắn vào”. Các protein này bây giờ được tự do tiến về nhân tế bào, nơi mà vật liệu di truyền được lưu trữ, và được đi vào trong nhờ các peptide xuyên tế bào. Và Cre có thể tiến hành tìm, cắt và chèn các đoạn chỉ thị vào trong chuỗi xoắn.

Thí nghiệm in-vitro của nhóm cho thấy sự thành công. Sau một khoảng thời gian ủ, các tế bào được thấm bởi các protein bao bởi vỏ nano, sau đó là chiếu xạ, thì phát màu đỏ.

“Chúng tôi không thiết kế bất cứ thứ gì có thể làm tế bào biểu hiện khác đi,” Reich nói, “Chúng tôi chỉ làm cho tế bào trông khác đi nhờ protein phát huỳnh quang này”.

Tác giả đầu của tờ báo, Dean Moreles, người hiện đang là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, phát biểu: “Như một công cụ nghiên cứu cơ bản, với việc kiểm soát không gian và thời gian mỗi tế bào có thể trở thành một thí nghiệm. Thử tưởng tượng bạn muốn nghiên cứu chức năng của một gene nào đó và làm thế nào nó thay đổi biểu hiện của tế bào hay biểu hiện của nó với một tế bào lân cận. Sử dụng các phân tử nano bắt ánh sáng như một ăng-ten chúng ta có thể bật hoặc tắt các gene mong muốn và quan sát trong thời gian thực các kết quả hoạt động của nó”.

Kiểm soát không gian-thời gian cũng cho phép những ai muốn chỉnh sửa nhẹ trên DNA, so với các kỹ thuật chỉnh sửa hiện tại mà các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng có tác động mạnh và mang tính di truyền.

“Trong một số trường hợp nhất định, như đột biến sinh dưỡng, không phải tất cả các tế bào trong cơ thể cần phải được điều chỉnh,” Morales nói. “Khả năng kiểm soát địa điểm và thời gian sử dụng bộ máy chỉnh sửa cung cấp tính tạm thời cho quy trình. Tầm quan trọng của điều này là các phương pháp chỉnh sửa gene hiện tại thường cho kết quả là bộ máy chỉnh sửa bị bỏ lại ở dạng kích hoạt trong tế bào đích, với những hậu quả lâu dài khôn lường. Phương pháp của chúng tôi vận chuyển bộ máy chỉnh sửa ở trong dạng tạm thời, và do vậy tránh được vấn đề này”.

Nghiên cứu của dự án này cũng được thực hiện bởi các đồng tác giả Erin Morgan, Megan McAdams và Amanda B. Chron thuộc Đại học UC Santa Barbara; và Jeong Eun Shin và Joseph Zasadzinski tại Đại học Minnesota.