Các nhà khoa học vừa tạo ra một loài gián đột biến gen bằng công nghệ CRISPR

Gián đột biến gen? Nghe có vẻ giống như phần mở đầu của một bộ phim kinh dị. Nhưng sản phẩm mới đây của các nhà khoa học đến từ Đại học Kyoto, Nhật Bản lại được đánh giá là một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu sự đa dạng sinh học của côn trùng.

Lần đầu tiên, họ đã chỉnh sửa được gen loài gián bằng kỹ thuật CRISPR. Đây vốn là loài côn trùng cực kỳ khó chỉnh sửa gen, vì chúng có cơ chế đặc biệt để bảo vệ các mã di truyền độc đáo của giống loài mình.

Chỉnh sửa được gen loài gián cũng có nghĩa là các nhà khoa học có thể "unlock" (mở khóa) được bộ gen của 90% các loài côn trùng khác. Các nghiên cứu này sẽ đưa chúng ta tới với nhiều ứng dụng thực tiễn, ví dụ như kiểm soát dịch hại, nghiên cứu sinh học tiến hóa và vô vàn lĩnh vực khác.

Gián: Loài sinh vật bất tử

Bất kể bạn cảm thấy thế nào về chúng, gián là một loài sinh vật mang trong mình rất nhiều điểm đặc biệt. Chúng được mệnh danh là loài có gen bất tử. Trên thế giới có tổng cộng hơn 4.600 loài gián. Và tổ tiên của chúng thì đã tồn tại trên Trái Đất từ cách đây hơn 300 triệu năm.

Chúng đã sống sót qua rất nhiều cuộc đại tuyệt chủng, bao gồm tuyệt chủng kỷ Phấn Trắng–Paleogene 66 triệu năm về trước đã xóa sổ loài khủng long. Người ta nghĩ rằng ngay cả khi con người tuyệt chủng vì một cuộc chiến hạt nhân, gián có lẽ vẫn còn sống.

Đó là bởi gián có thể chịu đựng được một mức phóng xạ gấp 6-15 lần con người. Nó cũng có cơ thể nhỏ và dẹt để có thể chui sâu xuống lòng đất để trốn tránh bức xạ - một chiến lược tương tự đã giúp chúng sống sót qua thảm họa thiên thạch khủng long.

Ngoài ra, gián có thể không ăn trong vòng 1 tháng mà vẫn còn sống. Các thí nghiệm cho thấy gián thậm chí có thể sống trong môi trường chân không trong vòng 45 phút. Trứng gián có thể sống sót 12 tiếng đồng hồ trong điều kiện -5 đến -8 độ C.

Khi bạn chặt đầu một con gián, phần thân của nó vẫn có hành vi sống như chạy trốn. Phần đầu của nó vẫn tiếp tục sống và vẫy râu trong vài giờ, thậm chí lâu hơn nếu bạn cung cấp cho nó chất dinh dưỡng.

Và bạn nghĩ thứ gì có thể giết được gián? Khi loài sinh vật này tiếp xúc với vi khuẩn hay mầm bệnh, cơ thể nó sẽ tự tiết ra các chất kháng sinh để chữa trị. Khi bạn xịt thuốc diệt côn trùng vào chúng, những con gián cũng tự tiến hóa để kháng được thuốc diệt côn trùng.

Tất cả những khả năng siêu việt này, suy cho cùng nằm trong chính những mã gen di truyền mà loài gián sở hữu.

Bộ gen của chúng ẩn chứa những bí mật gì?

Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Communications, các nhà khoa học cho biết mặc dù chỉ là một loài côn trùng nhỏ bé, gián sở hữu một bộ gen khổng lồ lên tới 20.000 mã đơn vị.

Cụ thể, chúng có 21.336 gen mã hóa protein và đạt tỷ suất gần như tuyệt đối. 95% trong số các mã gen này thực sự tạo ra protein, con số nhiều hơn cả con người chúng ta. Và các protein này chính là thứ mà gián dùng để kháng được thuốc và các hóa chất diệt chúng.

Gen cũng là nguồn gốc cho phép gián thích nghi và sống được trong các môi trường khắc nghiệt. Ví dụ, loài gián có hơn 1.000 gen mã hóa các thụ thể hóa học giúp chúng điều hướng trong môi trường.

Trong đó, có bao gồm 154 thụ thể khứu giác — nhiều gấp đôi so với những loài thú đáng sợ khác— cho phép chúng xác định chính xác những miếng bánh mà bạn đã đánh rơi ở đâu trong nhà.

Nó cũng có 522 thụ thể kích thích, với nhiều thụ thể có thể phát hiện ra vị đắng, thứ giúp gián dung nạp thực phẩm ngay cả là các loại thực phẩm có chất độc.

Để bảo vệ những gen bất tử của chúng được di truyền sang thế hệ sau, loài gián có chiến lược che chắn trứng của chúng rất kỹ. Những con cái thường đẻ trứng vào một cái bao cứng được gọi là oothecae.

Gián cái sẽ mang theo cái bao này ở cuối bụng, cho đến khi trứng nở. Oothecae bền đến nỗi nó có thể bảo vệ được trứng gián vượt qua cả những đợt lũ lụt hoặc hạn hán.

Nhưng vô tình, đó cũng là một nút thắt làm khó cho các nhà khoa học khi muốn can thiệp vào gen loài côn trùng này. 

"Bởi gián có một hệ thống sinh sản độc đáo, việc tiêm vật liệu vào phôi trong thời kỳ rất sớm là không thể thực hiện được" và do đó, "thao tác di truyền với gián (tức là chuyển gen hoặc chỉnh sửa gen) cho đến nay vẫn chưa thể thực hiện được", các nhà nghiên cứu tại Đại học Kyoto cho biết.

Tạo ra gián biến đổi gen bằng CRISPR

CRISPR-Cas9, thường được gọi đơn giản là CRISPR, là một kỹ thuật chỉnh sửa gen hoạt động bằng cách: Dùng protein Cas9 cắt bộ gen của sinh vật tại một vị trí nhất định. Sau đó, dán các đoạn gen mới vào vị trí đó bằng CRISPR (Nhóm các đoạn ngắn đối xứng lặp lại thường xuyên - clustered regularly interspaced short palindromic repeats).

Công nghệ "copy/paste" gen này đã tạo ra một cuộc cách mạng về di truyền học. Bởi nó cho phép con người có thể chỉnh sửa gen của nhiều loài sinh vật một cách cực kỳ chính xác.

Công cụ cũng giúp tìm hiểu vai trò của từng gen nhất định, và ứng dụng các chỉnh sửa gen đó vào điều trị nhiều căn bệnh liên quan đến di truyền. Emmanuelle Charpentier và Jennifer A. Doudna, hai tác giả phát minh ra công cụ CRISPR đã được trao giải Nobel Hóa học năm 2020.

Kể từ khi được phát minh, CRISPR đã được sử dụng để chỉnh sửa gen cho nhiều loài sinh vật, từ vi khuẩn, thực vật, động vật và thậm chí là con người. Tuy nhiên, kỹ thuật này vẫn bị giới hạn đối với một số loài côn trùng có cơ chế bảo bọc phôi – giống như gián - khiến các nhà khoa học không thể tiêm vật liệu CRISPR vào đó.

Bây giờ, một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Yu Shirai, một nhà khoa học tại Đại học Kyoto, đã khắc phục hạn chế này bằng cách tiêm trực tiếp vật liệu di truyền ribonucleoprotein Cas9 (RNPs) vào khoang cơ thể của gián cái trưởng thành.

Shirai gọi cách tiếp cận này là CRISPR "trực tiếp trên thế hệ cha mẹ" (DIPA-CRISPR). Nó sẽ làm biến đổi gen ngay từ trứng mà con cái sản sinh ra chứ không phải giai đoạn phôi sau khi đã thụ tinh.

Trong một thử nghiệm, Shirai và nhóm của mình đã sử dụng kỹ thuật DIPA-CRISPR để làm thay đổi thành công màu mắt của 21,8% những con gián con do sinh ra từ một gián cái chỉnh sửa gen.

Sự thay đổi này tiếp tục được di truyền sang thế hệ F2, là con của những con gián nở ra từ trứng có màu mắt mới. Và bởi gián là một loài đã khó chỉnh sửa gen bậc nhất, sự thành công của nghiên cứu này cũng có nghĩa là DIPA-CRISPR có thể được áp dụng cho các loài côn trùng khác.

"Kể từ bây giờ, chúng ta đã có thể chỉnh sửa bộ gen của các loài côn trùng một cách tự do và theo ý muốn. Về mặt nguyên tắc mà nói, phương pháp này sẽ hiệu quả đối với hơn 90% các loài côn trùng", Takaaki Daimon, một đồng tác giả nghiên cứu đến từ Đại học Kyoto cho biết.

Bây giờ, khi đã nắm trong tay công cụ chỉnh sửa gen cho loài gián, câu hỏi được đặt ra là chúng ta sẽ dùng nó để làm gì? Rõ ràng, không ai muốn biến những con gián vốn đã bất tử trở thành một phiên bản còn bất tử hơn nữa.

Vì vậy, cách tiếp cận với nghiên cứu này có lẽ sẽ theo hướng phá hủy hoặc thao túng bộ gen của chúng.

Trước đây, các nhà khoa học đã từng tạo ra những con muỗi biến đổi gen để trở nên vô sinh. Vì vậy, khi thả chúng ra tự nhiên sẽ giúp giảm sự sinh sôi của quần thể muỗi.

Một cách tiếp cận tương tự bây giờ cũng có thể được thực hiện với loài gián. Khi vào năm ngoái một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc cũng đã tạo ra những con gián đực thờ ơ với chuyện sinh sản.

Ngoài ra, bản thân các loài côn trùng cũng là một động vật thí nghiệm của con người chúng ta. Xác định được các gen và chức năng gen của côn trùng cũng cho chúng ta có thêm nhiều hiểu biết mới.

"Với hơn một triệu loài đã được mô tả, côn trùng là một kho tàng gen đa dạng, đại diện cho một kho công cụ nghiên cứu vô hạn để trả lời các câu hỏi cơ bản trong sinh học", các nhà nghiên cứu cho biết.

Công trình của họ đã được đăng trên tạp chí Cell Reports Methods.

Tham khảo Vice, Smithsonianmag, Phys