Chỉnh sửa toàn bộ hệ gen, các nhà khoa học Trung Quốc tạo ra được một loài hoàn toàn mới

Trung Quốc hiện đang cạnh tranh rất quyết liệt với Mỹ trong lĩnh vực chỉnh sửa gen bằng kỹ thuật CRISPR.

Bỏ qua ồn ào và những tranh cãi xung quanh 2 bé gái biến đổi gen đầu tiên trên thế giới, một trong những thành tựu nổi bật nhất mà các nhà khoa học nước này đạt được gần đây, đồng thời được cả cộng đồng khoa học thế giới công nhận, là tạo thành công một loài nấm hoàn toàn mới nhờ chỉnh sửa gen.

Theo nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature, nhà vi sinh vật học Zhogjun Qin tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Sinh học tổng hợp ở Thượng Hải đã tổng hợp được một loài nấm đầu tiên trên thế giới có bộ gen đơn bội, chỉ chứa duy nhất 1 nhiễm sắc thể khổng lồ.

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của CRISPR trong việc tạo ra những sinh vật nhân tạo, chưa từng có trong tự nhiên. Và nó cũng sẽ mở ra "kỷ nguyên chỉnh sửa toàn bộ hệ gen", khi chúng ta có thể thay đổi các ký tự mã hóa sự sống trên quy mô lớn.

Chỉnh sửa toàn bộ hệ gen, các nhà khoa học Trung Quốc tạo ra được một loài hoàn toàn mới

Các loài nấm men trong tự nhiên đã tồn tại suốt 20 triệu năm gần đây. Chúng đều có 16 nhiễm sắc thể và phục vụ con người trong nhiều việc như làm ra bia, bánh mì và sữa chua.

Lý do tại sao một số loài có nhiều nhiễm sắc thể hơn một số loài khác vẫn là một bí ẩn sinh học. Chẳng hạn, con người có gen được sắp xếp trên 46 nhiễm sắc thể khác nhau, trong khi một loài dương xỉ có tới 1.260 nhiễm sắc thể.

Loài sinh vật nhân thực duy nhất được biết đến trong tự nhiên (tức là những sinh vật có tế bào chứa nhân bao bọc trong màng) có một nhiễm sắc thể đơn lẻ là những con kiến nhảy đực (jack jumper).

Tại Trung Quốc, nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi nhà vi sinh vật học Zhogjun Qin tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Sinh học tổng hợp ở Thượng Hải, muốn xem liệu họ có thể sử dụng kỹ thuật nhân tạo để giảm số lượng nhiễm sắc thể của nấm men xuống hay không?

"Ưu điểm của một tế bào nhân thực có nhiều thay vì chỉ một nhiễm sắc thể chưa được biết rõ", họ đã viết trong báo cáo. "Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tổ chức lại bộ gen của Saccharomyces cerevisiae [cùng loại nấm men dùng để ủ bia] thành một nhiễm sắc thể khổng lồ, để khám phá liệu một tế bào nấm men có nhiễm sắc thể đơn hợp nhất có thể tồn tại và hoàn thành một chu kỳ tình dục hay không".

Một chủng nấm men nhân tạo được các nhà khoa học Trung Quốc tạo ra, chỉ chứa một nhiễm sắc thể duy nhất

Để làm được điều đó, các nhà khoa học đã dùng kỹ thuật CRISPR sử dụng một loại enzyme có tên Cas9 để cắt các phần nhỏ DNA và thay đổi các kí tự di truyền tại vị trí đó. Yếu tố cốt lõi của hệ thống CRISPR là một đoạn RNA nhỏ liên kết với một chuỗi DNA cụ thể trong bộ gen và enzyme Cas9. Khi RNA được liên kết với trình tự DNA, Cas9 sẽ cắt DNA tại vị trí được nhắm mục tiêu và các cơ chế sửa chữa DNA tự nhiên của tế bào được kích hoạt để sửa chữa trình tự DNA.

Để tạo ra loại nấm men mới, Qin và cộng sự đã sử dụng CRISPR để cắt tâm động của nấm men, một đoạn DNA đặc biệt giữ nhiễm sắc thể lại với nhau trong quá trình phân ly. Sau đó các nhiễm sắc thể được liên kết với nhau một cách ngẫu nhiên để tạo thành một chuỗi dài, dựa vào cơ chế tái tổ hợp di truyền tự nhiên của nấm men.

"Các thử nghiệm thí điểm của chúng tôi cho thấy 8 cặp nhiễm sắc thể được chọn ngẫu nhiên đều có thể được hợp nhất thành công và các chủng nấm ra đời đều tăng trưởng mạnh mẽ như các chủng tự nhiên, chứng tỏ các tế bào nấm men có thể chịu được sự hợp nhất ngẫu nhiên của hai nhiễm sắc thể", các nhà nghiên cứu báo cáo.

Bên trái: Các nhà khoa học Mỹ gộp 16 nhiễm sắc thể của nấm men vào thành 2 nhiễm sắc thể. Bên phải: Trong khi đó các nhà khoa học Trung Quốc đã gộp được cả 16 nhiễm sắc thể vào thành 1.

Mặc dù các tế bào nấm men nhân tạo được chỉnh sửa gen có thể sinh sản tốt với nhau, nhưng hiệu quả sinh sản của chúng bị giảm sút khi kết hợp với các loài nấm tự nhiên.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc tỏ ra khiêm tốn về kết quả này, xem đó chỉ là những phát hiện góp phần giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự tiến hóa ảnh hưởng thế nào đến cấu trúc và chức năng của nhiễm sắc thể.

Tuy nhiên, công trình 20 trang đăng trên tạp chí Nature được đánh giá mang tính đột phá, bởi nó là một minh chứng cho thấy chúng ta, mà cụ thể ở đây là các nhà khoa học Trung Quốc, đã có thể chỉnh sửa gen trên quy mô lớn. Chưa kể, họ đã tạo ra một loài sinh vật nhân tạo hoàn toàn mới, có khả năng sinh sản để tiếp tục tạo ra các thế hệ tiếp theo.

Trong so sánh, một nghiên cứu tương tự của các nhà khoa học Mỹ năm ngoái chỉ có thể tạo ra những chủng nấm 2 nhiễm sắc thể chứ chưa gộp lại thành 1 được.

Tham khảo Technologyreview, Motherboard