Từ khoa học đến giải pháp: Cách mạng hóa công nghệ lai tạo giống khoai tây thông qua chỉnh sửa gen bằng virus

Lauren Eddie tại Trung tâm Khoa học Cây trồng, Cambridge. Nguồn: Đại học Cambridge.

Trong loạt bài "Từ khoa học đến giải pháp", chúng tôi trò chuyện với các nhà khoa học Cambridge đang hợp tác với ngành công nghiệp, doanh nghiệp, các tổ chức phi chính phủ và các đối tác khác để giúp giải quyết các vấn đề thực tế bằng cách sử dụng nghiên cứu tiên tiến.

Lauren Eddie là nghiên cứu sinh tiến sỹ năm cuối tại nhóm Nghiên cứu Cộng sinh Ngũ cốc thuộc Trung tâm Khoa học Cây trồng, trực thuộc Khoa Khoa học Thực vật. Cô đang hợp tác với công ty lai tạo giống khoai tây Solynta để phát triển một kỹ thuật chỉnh sửa gen mới có thể thay đổi cách chúng ta sản xuất các giống khoai tây cải tiến.

Lauren chia sẻ cách dự án của cô kết nối khoa học cơ bản với chuyên môn trong ngành để giúp đáp ứng nhu cầu của nền nông nghiệp hiện đại.

Thông qua sự hợp tác này, bạn đang giải quyết vấn đề thực tế nào?

Là cây lương thực ngoài nhóm ngũ cốc quan trọng nhất thế giới, khoai tây là lương thực chính cho hơn một tỷ người. Tuy nhiên, sản xuất khoai tây luôn phải đối mặt với các mối đe dọa từ áp lực môi trường, sâu bệnh. Ngoài ra, cần phải cấp thiết phải làm cho nông nghiệp, và các loại cây trồng chúng ta canh tác, trở nên bền vững hơn.

Bất chấp những thách thức hiện đại này, nhiều giống khoai tây chúng ta trồng ngày nay đã có tuổi đời hơn một thế kỷ. Một trở ngại đặc biệt là khoai tây thường được nhân giống vô tính thông qua củ, có nghĩa là một số giống này vẫn giữ nguyên cấu trúc gen kể từ khi được tạo ra.

Công nghệ chỉnh sửa gen có thể giúp ích như thế nào và những hạn chế của phương pháp hiện tại là gì?

Trong lĩnh vực lai tạo giống cây trồng, hiện đang có một nỗ lực lớn nhằm phát triển các giống mới có khả năng chống chịu và thích nghi tốt hơn với những thách thức hiện đại. Một lợi thế đáng kể mà chúng ta hiện có là khả năng thực hiện những thay đổi có mục tiêu bằng cách sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen, nhanh hơn nhiều so với phương pháp lai tạo truyền thống.

Tuy nhiên, các phương pháp hiện có còn nhiều hạn chế. Mặc dù chỉnh sửa gen đã làm thay đổi ngành di truyền thực vật, nhưng các phương pháp hiện tại vẫn dựa vào các kỹ thuật nuôi cấy mô tốn nhiều công sức để đưa bộ máy phân tử – “kéo gen” (enzyme Cas) và các dẫn hướng cắt (gRNA) – vào cây. Điều này bao gồm việc trồng cây trong điều kiện vô trùng và tái sinh chúng từ giai đoạn “mô sẹo” đã được chỉnh sửa, về cơ bản là một cụm tế bào chưa phân hóa.

Quá trình này không chỉ chậm và tốn nhiều công sức, mà gen chuyển Cas9 của vi khuẩn còn phải được loại bỏ bằng cách gạch bỏ trước khi cây trồng có thể được chính thức phân loại là cây trồng chỉnh sửa gen (GE) thay vì cây trồng biến đổi gen (GM) – một sự khác biệt rất quan trọng để được chấp thuận theo quy định.

Nghiên cứu của bạn cung cấp giải pháp như thế nào?

Tôi đang hợp tác với Solynta để nghiên cứu một phương pháp chuyển giao thay thế: sử dụng virus làm vật mang cho các thành phần chỉnh sửa gen. Điều này bao gồm việc xác định các loại virus phù hợp để lây nhiễm vào khoai tây và biến đổi chúng để mang theo bộ máy chỉnh sửa gen.

Toàn bộ cây có thể được nhiễm virus và chỉnh sửa. Điều này giúp loại bỏ nhu cầu nuôi cấy mô và rút ngắn thời gian chỉnh sửa xuống còn một chu kỳ sống của cây. Nếu những chỉnh sửa này xảy ra trong các tế bào sinh sản, chúng có thể được di truyền cho thế hệ tiếp theo. Quan trọng hơn, bộ công cụ phân tử không tích hợp vào bộ gen của cây, có nghĩa là không cần phải loại bỏ gen chuyển Cas9 để đáp ứng các quy định về công nghệ sinh học.

Điều gì là phần thưởng lớn nhất trong công việc này?

Phải mất nhiều năm thử nghiệm và điều chỉnh mới có thể áp dụng phương pháp này vào khoai tây. Mặc dù gặp nhiều khó khăn, việc tìm ra những điểm không hiệu quả và phát triển các ý tưởng thay thế, cuối cùng đã chứng minh được sự thành công, là điều vô cùng đáng hài lòng. Cho đến nay, chúng tôi đã xác định được một vectơ virus phù hợp, xác định được điều kiện sinh trưởng tối ưu và đạt được khả năng chỉnh sửa gen soma bằng phương pháp này.

Điều tuyệt vời nhất khi hợp tác với Solynta là gì?

Việc hợp tác với Solynta là vô cùng cần thiết do sự phức tạp của bộ gen khoai tây. Các giống khoai tây thông thường là "thể tứ bội dị hợp tử", nghĩa là chúng có bốn bản sao của mỗi gen. Tuy nhiên, Solynta là một công ty lai tạo giống đang phát triển các giống "lưỡng bội".

Các sinh vật lưỡng bội này chỉ có hai bản sao của mỗi gen – giống như con người – điều này cho phép cải tiến di truyền nhanh hơn với sự di truyền ít phức tạp hơn. Từ góc độ chỉnh sửa gen, đây là một lợi thế rất lớn vì nó có nghĩa là chúng ta chỉ cần chỉnh sửa một nửa số gen cần thiết.

Một khía cạnh tuyệt vời khác của hệ thống Solynta là khoai tây của họ có thể được trồng từ hạt giống thuần chủng. Không giống như củ khoai tây truyền thống, những hạt giống này không bị bệnh và dễ vận chuyển, bảo quản hơn nhiều. Khoai tây lưỡng bội của Solynta cung cấp nền tảng di truyền ổn định và hiệu quả cho nghiên cứu của chúng tôi và cây trồng dễ dàng tạo ra hạt giống thuần chủng, giúp chúng tôi dễ dàng đánh giá xem các chỉnh sửa của mình có di truyền được hay không.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Cambridge.