Phát triển CasPER, một phương pháp cải biên enzyme

Trên cơ sở công nghệ CRISPR-Cas9, các nhà khoa học của Đan Mạch đã phát triển “phản ứng tiến hóa protein trên cơ sở Cas9, viết tắt là CasPER, từ nguyên chữ “Cas9-mediated protein evolution reaction”. Họ nhằm mục đích xây dựng nên một thư viện cơ sở dữ liệu của những enzyme rất đa dạng, mà enzyme này có thể được sử dụng trong công nghiệp và trong nghiên cứu khoa học. Phương pháp bao gồm nội dung sử dụng epPCR (error-prone PCR) và hệ thống HDR của CRISPR-Cas9 (homology-directed repair) để chỉnh sửa phân tử DNA của những enzymes chủ đích và những variants của chúng.  Nhà khoa học Jay Keasling và ctv. thuộc The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Đan Mạch, đã sử dụng epPCR để phát sinh ra những trình tự DNA khác nhau để chèn vào thông qua sự trợ giúp của HDR vào hệ thống CRISPR-Cas9 tạo ra vị trí cắt trong phân tử DNA của enzyme. Nhóm nghiên cứu này đã trắc nghiệm phương pháp trên nấm men Saccharomyces cerevisiae bằng cách xác định đích đến của hai enzymes vô cùng cần thiết trong chu trình “mevalonate”. Kết quả cho thấy có sự gia tăng gấp 11 lần sự thể hiện của những enzymes chủ đích này, và giải trình tự đã xác định sự hợp nhất của DNA chèn vào như vậy. CasPER còn cho thấy có hiệu quả chỉnh sửa gen rất tốt (98%). CasPER cho phép thao tác kỹ thuật di truyền cùng một lúc nhiều variants của enzyme và cho phép chèn vào đoạn phân tử có kích thước lớn. Người ta có thể sử dụng nó trong những thí nghiệm khác trong công nghiệp và trong nghiên cứu khoa học cơ bản. Xem Metabolic Engineering.

Sử dụng hai phương pháp tìm kiếm gen ứng cử viên mã hóa capsaicinoid trong giống ớt cay

Capsaicinoids là những protein có chức năng làm cháy nóng giác quan hoặc qui định mức độ cay của giống ớt cay (Capsicum spp.). Những hợp chất hóa học như vậy cho phép cây ớt có tính kháng với bệnh tật ví dụ như bệnh do Fusarium. Hạt ớt cay nồng ấy được phân bố trong sản xuất do chim mang đi bằng cách thải qua phân. Người tiêu dùng sử dụng ớt cay làm gia vị, làm rau cũng như là thực phẩm bổ sung (food additive). Chất capsaicinoid chủ yếu được điều khiển bởi gen Pun1. Protein này còn chịu ảnh hưởng bởi gen số lượng “QTLs (quantitative trait loci). Họ đã và đang nghiên cứu tại những loci ấy, nhưng chứa xác định được những gen ứng cử viên hữu dụng cho tính trạng cay của ớt. Byoung-Cheorl Kang và ctv, thuộc Đại Học Quốc Gia Seoul và RDA (Rural Development Administration) của Hàn Quốc đã sử dụng phương pháp “QTL mapping” và GWAS (genome-wide association study) để phát hiện những QTLs có chức năng điều khiển hàm lượng capsaicinoid trong chi Capsicum. Các dòng cận giao tái tổ hợp RILs được tạo ra qua tổ hợp lai giữa "Perennial" (ớt hiểm rất cay) và "Dempsey" (giống ớt không cay). Họ đã tìm thấy 5 gen ứng cử viên điều khiển hàm lượng capsaicinoid thông qua phân tích cơ sở dữ liệu của thí nghiệm này và trước đó. Đó là các gen pAMT, C4H, 4CL, CSE, và FatA từ chu trình “phenylpropanoid” và chu trình “acid béo”. Các gen ấy sẽ vô cùng hữu dụng trong nội dung làm rõ cơ chế sinh tổng hợp capsaicinoid và trong cải tiến giống ớt cay có nồng độ cay rất cao (high-pungency peppers). Xem Plant Biotechnology Journal.

Chỉnh sửa gen điều khiển chiều cao cây cà chua

Protein DELLA đáp ứng với sự ức chế tăng trưởng của cây dẫn đến tính trạng lùn của cây. Protein DELLA hoàn toàn thể hiện chức năng sẽ rất nhạy cảm với gibberellic acid (GA), mà GA này làm tăng cường sự thoái hóa DELLA và làm cây tăng trưởng bình thường. Nhiều loại hình đột biến “loss-of-function” của gen mã hóa DELLA – gen PROCERA có trong giống cà chua trồng trọt, giống lúa mạch và giống lúa nước. Laurence Tomlinson và ctv. thuộc Norwich Research Park, Anh Quốc và Đại Học Minnesota, Hoa Kỳ, đã sử dụng CRISPR-Cas9 để chỉnh sửa gen mã hóa protein DELLA trong cây cà chua. Cà chua là loài cây trồng rất quan trọng về kinh tế và được nhiều người nghiên cứutrên nhiều tính trạng như tính kháng bệnh, kích cỡ trái cà chua, và màu sắc trái. Muốn có một giống cà chua thân lùn sẽ làm giảm thiểu được vật chất làm giàn cho cây, sự tỉa cành tạo tán và giảm thiểu chi hpí quản lý. Kết quả cho thấy có ba giống cà chua di truyền không phải bằng cách chuyển gen mà thông qua chỉnh sửa gen. Giống đầu tiên có alen đồng hợp tử PRO^D/PRO^D, mà gen này điều khiển tính trạng lùn và phản ứng từng phần với GA; giống thứ hai là alen dị hợp tử PRO^D/PRO, mà gen ấy điều khiển ciều cao cây trung bình khi cây còn nhỏ, những trở nên lùn khi cây trưởng thành. Đột biến như vậy mag bản chất alen trội. Giống thứ ba cũng thuộc đột biển kiểu “loss-of-function” điều khiển tính trạng giống như cây cà chua bị câm gen mã hóa DELLA. Xem Plant Biotechnology Journal.

So sánh Cas9 và Cas12a khi chỉnh sửa gen đích của hệ gen cây bắp

Nhiều nghiên cứu đã được công bố tính hữu dụng của CRISPR trong chỉnh sửa genvới Cas9 và Cas12a (Cpf1) nucleases trong hệ gen của người và của cây trồng chính. Hai nucleases này khác nhau bởi vị trí nhận biết của chúng (recognition site), yêu cầu của phân tử RNA và khả năng “multiplexing” có nghĩa là Cas12a khác hệ thống PAM (protospacer adjacent motif) với vị trí nhận biết "NGG" chỉ xảy ra trong trường hợp CRISPR RNA (crRNA), và cho phép multiplexing. Trái lại, Cas9 có vị trí nhận biết "TTTV" PAM site, cần cả phân tử crRNA và trans-activating RNA (tracrRNA), không phép multiplexing xảy ra. Những khác biệt như vậy tạo nên hai nucleases bổ sung cho nhau tùy theo cách sử dụng của các nhà khoa học. Kan Wang và ctv. thuộc Crop Bioengineering Center and Department of Agronomy, Đại Học Iowa quan sát sự thiếu sót của nội dung so sánh trực tiếp giữa hai nucleases trong một thí nghiệm. Do đó, học đã so sánh hoạt động và tính chuyên biệt của hai enzymes này trong hệ gen cây bắp bằng cách xác định đích đến là gen glossy2, gen này có trình tự có thể được xác định bởi cả hai nucleases. Người ta thấy rằng Cas9 hoàn tất nội dung chỉnh sửa gen tốt hơn so với Cas12a, cho nên, Cas9 đạ hiệu quả chỉnh sửa 90 - 100 %, trong khi đó, Cas12a đạt từ 0 đến 60% thành công. Tuy nhiên, họ cho rằng cần nghiên cứu tối ưu hóa hoạt động của Cas12a. Xem Plant Biotechnology Journal.

Kế hoạch phát triển cây hạt dẻ (Castanea) biến đổi gen để bảo vệ cây

Các nhà khoa học thuộc State University of New York College of Environmental Science and Forestry (SUNY ESF)  lên kế hoạch xin ý kiến đồng ý của những nhà làm luật của Hoa Kỳ về chọn giống cây hạt dẻ bằng chuyển nạp gen nhằm bảo tồ  giống cây hạt dẻ trong thiên nhiên. Những cây transgenic đã được bảo vệ bởi pháp lý tại Hoa Kỳ và sẽ trở thành cây lâu năm đầu tiên có giống GM, chúng sẽ phát triển trong thiên nhiên hoang dã nếu kế hoạch này được chấp thuận. Giống hạt dẻ American có ưu thế phát triển tại khu rừng Bắc Mỹ cho đến khi một loài vi nấm xâm nhiễm có tên là “chestnut blight” xuất hiện vào thập niên 1990s – bệnh này giết hại loài cây cần bảo vệ này. Gần đây các nhà khoa học William Powell và Charles Maynard thuộc SUNY ESF đã bắt đầu thục hiện kế hoạch lấy vũ khí ra khỏi con nấm ấy (taking the weapon away from the fungus) bằng cách chèn vào một gen của lúa mì điều khiển oxalate oxidase hoặc OxO thông qua kỹ thuật di truyền. OxO làm gãy vỡ “oxalic acid”, mà acid này được póng thích bởi pathogens nói trên, nó giết chết cây hạt dẻ. Năm 2014, nhóm nghiên cứu ấy đã phóng thích giống Darling 58, một cây hạt dẻ biến đổi gen có tính kháng bệnh di truyền “blight”. Nhóm nghiên cứu SUNY ESF ghi nhận những cây này không diệt được nấm. Trái lại, giống chestnut truyền thống Jared Westbrook thuộc American Chestnut Foundation đã hỗ trợ cho ý tưởng nêu trên, cây transgenic tỏ ra tốt hơn trong kiểm soát bệnh so với cây truyền thống. Xem Science.

 THÔNG BÁO

Hội nghị quốc tế 2018 về công nghệ sinh học và  bioengineering

Hội nghị quốc tế 2018 về công nghệ sinh học và  bioengineering (2018 International Conference on Biotechnology and Bioengineering) viết tắt là ICBB2018 được tổ chức vào ngày 24-26 tháng Mười năm 2018; tại Budapest, Hungary

Xem the conference website.