Công nghệ CRISPR-Cas9 là gì? Cách mạng trong lĩnh vực chỉnh sửa gen

Công nghệ CRISPR-Cas9, thường được gọi là công nghệ chỉnh sửa gen, đang mở ra kỷ nguyên mới trong sinh học và y học. Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna được trao Giải Nobel Hóa học năm 2020 vì đã khám phá ra kéo cắt gen CRISPR-Cas9. Khả năng của CRISPR-Cas9 trong việc chỉnh sửa chính xác các đoạn ADN đã tạo nên một cuộc cách mạng, cho phép thay đổi và sửa chữa gen một cách dễ dàng và nhanh chóng hơn bao giờ hết. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ về công nghệ CRISPR-Cas9, cách nó hoạt động, và những tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

1. CRISPR-Cas9 là gì?

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) là một đoạn ADN chứa các đoạn lặp lại ngắn, xen kẽ với các đoạn ADN có nguồn gốc từ virus mà vi khuẩn từng tiếp xúc. Hệ thống này được phát hiện ban đầu trong hệ miễn dịch của vi khuẩn, nơi nó đóng vai trò giúp vi khuẩn ghi nhớ các đoạn ADN của virus và bảo vệ chúng khỏi bị tái nhiễm.

Cas9 (CRISPR-associated protein 9) là một loại enzyme đóng vai trò như “kéo phân tử” để cắt đứt ADN tại vị trí xác định. Kết hợp lại, CRISPR và Cas9 tạo thành một hệ thống chỉnh sửa gen chính xác, có khả năng tìm kiếm, cắt, và thay thế các đoạn ADN cụ thể trong bộ gen.

Người ta đã chứng minh rằng công nghệ này có thể được sử dụng để sửa chữa ADN bị lỗi ở chuột, chữa khỏi các rối loạn di truyền cho chúng, (1) và có báo cáo rằng phôi người cũng có thể được biến đổi tương tự. Các ứng dụng lâm sàng tiềm năng khác bao gồm liệu pháp gen, điều trị các bệnh truyền nhiễm như HIV và kỹ thuật tạo vật liệu bệnh nhân tự thân để điều trị ung thư và các bệnh khác. 

2. Cơ chế hoạt động của công nghệ CRISPR-Cas9

CRISPR/Cas9 là công nghệ chỉnh sửa gen bao gồm hai thành phần thiết yếu: ARN hướng dẫn để khớp với gen mục tiêu mong muốn và Cas9 (protein 9 liên kết với CRISPR)—một endonuclease gây đứt gãy ADN mạch kép, cho phép sửa đổi bộ gen.

Hình ảnh: Cơ chế chỉnh sửa gen

Công nghệ CRISPR-Cas9 hoạt động dựa trên một quy trình khá đơn giản nhưng hiệu quả. Quy trình chỉnh sửa gen bằng CRISPR-Cas9 có thể được chia thành các bước cơ bản như sau:

• Nhận dạng vị trí chỉnh sửa: Đầu tiên, các nhà khoa học thiết kế một đoạn ARN ngắn gọi là ARN hướng dẫn (guide RNA – gRNA), có trình tự khớp với đoạn ADN mục tiêu cần chỉnh sửa. gRNA này sẽ dẫn dắt enzyme Cas9 đến đúng vị trí trên ADN.
• Cắt ADN tại vị trí chỉ định: Khi Cas9 được gRNA dẫn đến vị trí đích, enzyme này sẽ cắt đứt sợi ADN ở vị trí được chỉ định. Phản ứng này mở ra không gian cho các đoạn ADN mới hoặc sửa đổi thay thế đoạn ADN gốc.
• Sửa chữa và chỉnh sửa ADN: Sau khi ADN bị cắt, các cơ chế sửa chữa tự nhiên của tế bào sẽ hoạt động. Các nhà khoa học có thể lợi dụng quá trình này để thêm vào hoặc thay thế các đoạn ADN mong muốn tại vị trí vừa bị cắt.

Nhờ khả năng chính xác cao, CRISPR-Cas9 được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu gen, điều trị các bệnh di truyền, và thậm chí trong phát triển các giống cây trồng biến đổi gen.

3. Ứng dụng của công nghệ CRISPR-Cas9 trong y học

CRISPR-Cas9 không chỉ giúp các nhà khoa học hiểu sâu hơn về cơ chế hoạt động của gen mà còn mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong y học, từ điều trị bệnh di truyền đến nghiên cứu ung thư.

• Điều trị bệnh di truyền: CRISPR-Cas9 đã và đang được nghiên cứu để điều trị các bệnh di truyền bằng cách sửa đổi các gen bị đột biến gây bệnh. Ví dụ, bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm và bệnh xơ nang là những bệnh có thể được điều trị bằng cách chỉnh sửa lại các gen liên quan.
• Nghiên cứu ung thư: Công nghệ CRISPR-Cas9 cho phép các nhà khoa học nghiên cứu vai trò của các gen trong sự phát triển của ung thư, từ đó phát triển các liệu pháp mới nhắm mục tiêu đến các gen gây bệnh.
• Liệu pháp gen: Các liệu pháp gen sử dụng CRISPR-Cas9 đang được thử nghiệm để chữa trị những căn bệnh không thể chữa khỏi bằng phương pháp truyền thống. Bằng cách chỉnh sửa hoặc loại bỏ các gen gây bệnh, CRISPR có thể thay đổi hoàn toàn hướng điều trị cho một số bệnh hiểm nghèo.

4. CRISPR-Cas9 trong nông nghiệp

Không chỉ trong y học, công nghệ CRISPR-Cas9 còn có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực nông nghiệp. Các nhà khoa học sử dụng công nghệ này để phát triển các giống cây trồng và vật nuôi có khả năng chống chịu tốt hơn, cho năng suất cao hơn và cải thiện giá trị dinh dưỡng.

• Tạo ra các giống cây trồng kháng bệnh: CRISPR-Cas9 cho phép các nhà khoa học chỉnh sửa gen của cây trồng để tăng cường khả năng chống lại sâu bệnh, giảm thiểu sử dụng thuốc trừ sâu và tăng hiệu quả canh tác.
• Cải thiện chất lượng và giá trị dinh dưỡng của thực phẩm: Các giống cây trồng có hàm lượng dinh dưỡng cao hơn, thời gian bảo quản lâu hơn đang được phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ CRISPR-Cas9.
• Tăng cường khả năng thích nghi với điều kiện khắc nghiệt: Công nghệ CRISPR-Cas9 giúp các nhà khoa học tạo ra các giống cây có khả năng chịu hạn, chống chịu với thời tiết khắc nghiệt, giúp đảm bảo an ninh lương thực trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

5. Lợi ích và thách thức của công nghệ CRISPR-Cas9

Công nghệ CRISPR-Cas9 mang lại nhiều lợi ích to lớn cho khoa học và xã hội. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra những thách thức về đạo đức và an toàn.

Lợi ích:

• Tiềm năng chữa bệnh: CRISPR-Cas9 mở ra cơ hội chữa trị cho nhiều bệnh di truyền, đặc biệt là những bệnh nan y mà y học hiện đại chưa có giải pháp hiệu quả.
• Cải thiện năng suất nông nghiệp: Các giống cây trồng và vật nuôi được chỉnh sửa gen giúp tăng sản lượng, giảm chi phí sản xuất, và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
• Nâng cao hiểu biết về sinh học: Nhờ CRISPR, các nhà khoa học có thể nghiên cứu sâu hơn về gen, giúp mở rộng kiến thức về di truyền học và sinh học tế bào.

Thách thức:

• Đạo đức và pháp lý: Việc chỉnh sửa gen người, đặc biệt là ở giai đoạn phôi thai, đặt ra các vấn đề về đạo đức. Các quốc gia hiện vẫn chưa đồng thuận hoàn toàn về quy định pháp lý liên quan đến CRISPR-Cas9.
• Nguy cơ ảnh hưởng không mong muốn: Mặc dù CRISPR-Cas9 có độ chính xác cao, nhưng vẫn tồn tại nguy cơ cắt sai mục tiêu, gây ra các đột biến không mong muốn và có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

Vẫn còn nhiều thách thức trước khi tiềm năng của CRISPR/Cas9 có thể được chuyển thành các phương pháp điều trị lâm sàng hiệu quả. Một vấn đề cụ thể là làm thế nào để đưa chỉnh sửa gen đến đúng tế bào, đặc biệt là nếu phương pháp điều trị được thực hiện trong cơ thể sống. Để đưa gen mã hóa Cas9 một cách an toàn và hướng dẫn ARN trong cơ thể sống mà không có bất kỳ độc tính nào đi kèm, cần có một vectơ phù hợp. 

Một vấn đề khác là khả năng xảy ra các tác động ngoài mục tiêu trên các phần của bộ gen, tách biệt với vùng đang được nhắm mục tiêu. Các chỉnh sửa vô ý của bộ gen có thể gây ra các biến chứng lâu dài nghiêm trọng cho bệnh nhân, bao gồm cả bệnh ác tính. Mặc dù các nghiên cứu gần đây đã làm tăng tính đặc hiệu, nhưng vẫn cần phải nghiên cứu thêm để giảm thiểu các tác động ngoài mục tiêu và xác định tính an toàn lâu dài của bất kỳ phương pháp điều trị nào.

Một vấn đề đặc biệt gây tranh cãi xung quanh công nghệ CRISPR-Cas9 là vấn đề chỉnh sửa gen trong phôi thai. Người ta đã chứng minh rằng công nghệ CRISPR-Cas9 có thể thay đổi bộ gen của phôi thai người. Về mặt lý thuyết có thể hữu ích trong việc điều trị các bệnh di truyền. Tuy nhiên, bất kỳ sửa đổi gen nào đối với phôi thai đều sẽ là vĩnh viễn và hậu quả lâu dài vẫn chưa rõ ràng. Nhiều người phản đối việc sửa đổi phôi thai trong mọi trường hợp với lập luận rằng hậu quả cuối cùng có thể là sự tăng cường di truyền không mang tính điều trị. 

6. Kết luận

Công nghệ CRISPR-Cas9 là một bước đột phá trong lĩnh vực sinh học và y học, mở ra những tiềm năng chưa từng có trong việc chỉnh sửa gen. Mặc dù còn nhiều thách thức về mặt đạo đức và an toàn, CRISPR-Cas9 đã chứng minh khả năng cách mạng hóa y học, nông nghiệp và nhiều ngành công nghiệp khác. Trong tương lai, nếu được sử dụng một cách an toàn và có trách nhiệm, CRISPR-Cas9 sẽ tiếp tục là công cụ hữu hiệu giúp tăng cường sức khỏe và tuổi thọ của con người .

Nguồn: NOVAGEN