Trong bối cảnh dân số toàn cầu gia tăng phi mã, sản xuất lương thực phải đối mặt với ngày càng nhiều thách thức, đặc biệt là biến đổi khí hậu, việc tạo ra được các giống cây trồng không chỉ có khả năng chống chịu với môi trường bất lợi mà còn gia tăng năng suất, chất lượng đã trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học. Nhiều loại nông sản của Việt Nam như lúa, cà chua, dưa leo, đu đủ,… đã được nghiên cứu, ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gene, như CRISPR, để cải thiện chất lượng và khả năng chống chịu bệnh tật.
Công nghệ chỉnh sửa gene cho phép các nhà khoa học thay đổi DNA của một sinh vật thông qua việc thêm, bớt hoặc thay đổi vật liệu di truyền tại các vị trí cụ thể trong bộ gene. Trong các công nghệ chỉnh sửa gene đã được phát triển như: ZFNs (Zinc Finger Nucleases), TALENs (Transcription Activator-like Effector Nucleases), CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated protein 9), nổi bật nhất là công nghệ CRISPR/Cas9 do nhanh, rẻ, chính xác và hiệu quả hơn các phương pháp chỉnh sửa gene khác.
CRISPR được phát hiện lần đầu tiên trong vi khuẩn và vi khuẩn cổ năm 1987, là một họ các trình tự DNA ngắn xuôi ngược lặp lại và các trình tự này được ngăn cách với nhau bởi các vùng đệm. Tuy nhiên, trước năm 2012, các nhà khoa học vẫn chưa biết đến chức năng của vùng CRISPR. Nhờ công trình nghiên cứu của hai nhà khoa học nữ Emmanuelle Charpentier và Jennifer A. Doudna vào năm 2012, công nghệ CRISPR lần đầu tiên được áp dụng làm kỹ thuật chỉnh sửa hệ gene. Với việc phát hiện CRISPR/Cas9, hai tác giả đã được Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao giải Nobel trong lĩnh vực Hóa học vào năm 2020.
Kéo di truyền CRISPR/Cas9 (Nguồn: Biên dịch từ tài liệu The Nobel Prize in Chemistry 2020 - Genetic scissors: a tool for rewriting the code of life)
Khi các nhà nghiên cứu chuẩn bị chỉnh sửa gene bằng kéo di truyền, họ sẽ tạo ra một RNA hướng dẫn, khớp với mã DNA nơi thực hiện cắt. Protein cắt, Cas9, tạo thành một phức hợp với RNA hướng dẫn, đưa chiếc kéo đến vị trí cần cắt trong bộ gene. Các nhà nghiên cứu có thể cho phép tế bào tự sửa chữa vết cắt trong DNA, nhưng hầu hết các trường hợp như vậy sẽ khiến cho chức năng của gene bị tắt. Nếu các nhà nghiên cứu muốn chèn, sửa chữa hoặc chỉnh sửa gene, họ có thể thiết kế một mẫu DNA đặc biệt. Tế bào sẽ sử dụng mẫu khi nó sửa chữa vết cắt trong bộ gene, nhờ vậy, mã trong bộ gene bị thay đổi.
Ngay sau khi Emmanuelle Charpentier và Jennifer A. Doudna công bố kết quả nghiên cứu, một số nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng công cụ này có thể dùng để sửa đổi bộ gene trong tế bào của cả chuột và người, dẫn đến sự bùng nổ các nghiên cứu về chỉnh sửa gene. Trước đây, việc thay đổi gene trong một tế bào thực vật hoặc sinh vật tốn rất nhiều thời gian, đôi khi là không thể. Sử dụng chiếc kéo di truyền, về nguyên tắc, các nhà nghiên cứu có thể cắt bỏ bất kỳ bộ gene nào họ muốn. Sau đó, sử dụng các hệ thống tự nhiên của tế bào để sửa chữa DNA và để chúng viết lại mã.
Những ứng dụng của công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9
Công nghệ CRISPR/Cas9 rất dễ sử dụng nên được phổ biến rộng rãi trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực như: cây trồng, vật nuôi, y học,...
Ứng dụng của công nghệ CRISPR/Cas9 trong các lĩnh vực (Nguồn: Biên dịch từ nghiên cứu “Novel CRISPR–Cas Systems: An Updated Review of the Current Achievements, Applications, and Future Research Perspectives” (Nidhi et al. (2021))
Theo một báo cáo công bố tại Chỉ số Đói nghèo Toàn cầu (Global Hunger Index) năm 2019, biến đổi khí hậu ngày càng tăng đã ảnh hưởng xấu đến hệ thống cung ứng lương thực. Thiên tai làm giảm năng suất cây trồng và lượng khí CO2 dư thừa làm giảm giá trị dinh dưỡng của cây trồng. Để khắc phục tình trạng khan hiếm lương thực, cần phải đẩy mạnh sản xuất nông nghiệp, bằng cách kết hợp nhân giống cây trồng truyền thống và các kỹ thuật mới như nhân giống cây trồng phân tử (chỉnh sửa bộ gene mục tiêu) và chỉnh sửa gene cụ thể.
Từ những ứng dụng đầu tiên trên thực vật vào năm 2013, CRISPR/Cas9 đã được sử dụng để chỉnh sửa bộ gene, đưa những đặc điểm nông nghiệp có giá trị lớn vào nhiều loài cây trồng. Việc chỉnh sửa bộ gene nhằm tăng năng suất như tăng kích thước hạt, trọng lượng, số lượng, hàm lượng protein, độ nảy mầm và chất lượng cây trồng; giảm mức độ glycoalkaloid steroid độc hại, tăng cường màu sắc và thời hạn sử dụng của trái cây và rau quả, khiến chúng trở nên hấp dẫn về mặt thương mại,... Các sửa đổi tiếp tục liên quan đến sự gia tăng amylose, tinh bột, chất béo tốt như mức axit oleic, cải tiến hương thơm, giảm protein gluten và hàm lượng axit béo không bão hòa,… Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển các loại cây trồng có khả năng chịu hạn hán tốt hơn trong điều kiện khí hậu ấm áp hơn, đồng thời, chống lại côn trùng và sâu bệnh mà không phải xử lý bằng thuốc trừ sâu.
Trong chăn nuôi, có rất nhiều ứng dụng của CRISPR/Cas9 như tạo khả năng phục hồi chống lại bệnh tật, cải thiện các đặc điểm sinh sản và tạo ra các động vật hoạt động như một mô hình trong nghiên cứu y sinh. Nhiều loài đã được nghiên cứu áp dụng công nghệ CRISPR/Cas9 như: lợn, bò, dê và cừu,…
Trong y học, ứng dụng công nghệ CRISPR/Cas9 để thử nghiệm các liệu pháp miễn dịch mới cho bệnh ung thư, biến giấc mơ chữa khỏi các bệnh di truyền thành hiện thực. CRISPR/Cas9 còn được sử dụng trong các mô hình nghiên cứu trên chuột để điều chỉnh đột biến gene gây ra bệnh viêm gan B, bệnh máu khó đông, suy giảm miễn dịch kết hợp nghiêm trọng, đục thủy tinh thể, xơ nang, bệnh tyrosin máu và bệnh teo cơ Duchenne di truyền.
Chỉnh sửa gene cho nông sản Việt
Những năm gần đây, các nhà khoa học Việt Nam đã công bố nhiều công trình liên quan đến công nghệ chỉnh sửa gene trên nông sản, từ các kết quả đề tài khoa học cấp Thành phố, cấp Quốc gia, đến các bài báo khoa học đăng tải trên các tạp chí uy tín thế giới.
Đối với cây lúa
Với cây lúa, công nghệ chỉnh sửa gene đã được các nhà khoa học triển khai nghiên cứu và ứng dụng trong các đề tài khoa học cấp Quốc gia, nghiệm thu kết quả năm 2021:
- “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ chỉnh sửa hệ gene để cải tạo tính trạng mùi thơm và kháng bạc lá trên một số giống lúa chủ lực của Việt Nam” do Viện Di truyền Nông nghiệp (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn) chủ trì thực hiện.
Kết quả nghiên cứu đã xây dựng quy trình, tạo một số dòng lúa Bắc thơm 7 (BT7) chỉnh sửa gene mang đột biến đồng hợp trên promoter OsSWEET14. Trong điều kiện nhà lưới, tất cả dòng lúa BT7 chỉnh sửa gene đều không có sự khác biệt về chỉ tiêu nông học so với dòng lúa đối chứng không chỉnh sửa gene. Ba dòng lúa BT7 (1.12.07, 1.15.21 và 3.01.19) không thay đổi mức độ biểu hiện OsSWEET14 khi được lây nhiễm nhân tạo với 3 isolate Xoo (vi khuẩn gây bệnh bạc lá trên lúa - Xanthomonas oryzae pv. oryzae - Xoo) đại diện VXO_ll, VXO_60 và VXO_96. Cả 3 dòng lúa đều thể hiện tính kháng rõ rệt với VXO_ll và kháng nhẹ với VXO_96 cho thấy triển vọng cải tiến tính kháng bạc lá cho các giống lúa ưu tú như BT7 thông qua đột biến gene đích bằng công nghệ CRISPR/Cas9. Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu cũng tạo ra dòng lúa OM5451 đã được chỉnh sửa gene BADH2 có mùi thơm tương đương giống OM6162 mà không bị thay đổi chất lượng.
- “Nghiên cứu tăng kích thước hạt ở cây lúa bằng kỹ thuật chỉnh sửa hệ gene CRISPR/Cas9” do Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên chủ trì thực hiện. Kết quả nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 để gây đột biến gene GS3 tăng kích thước hạt ở giống lúa Bắc thơm 7. Dòng đột biến biểu hiện kiểu hình tăng kích thước hạt 10% so với đối chứng và giữ nguyên các đặc điểm khác của hạt.
Trên cây dưa leo
Nhằm bước đầu nghiên cứu thử nghiệm tạo giống dưa leo có khả năng kháng virus gây bệnh vàng gân dưa leo CVYV (Cucumber vein yellowing virus) và virus gây bệnh khảm lá dưa leo CMV (Cucumber mosaic virus), từ năm 2018, các nhà khoa học tại Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM đã tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 trên cây dưa leo hướng đến tạo giống dưa leo có khả năng kháng virus”, kết quả vừa được Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu trong năm 2022.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế vector chỉnh sửa gene eIF4E dựa trên công nghệ CRISPR/Cas9; tạo chủng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens (A. tumefaciens) mang vector chỉnh sửa gene; xây dựng thành công quy trình chỉnh sửa gene trên cây dưa leo và đã chứng minh được sự thay đổi trình tự xảy ra quanh vị trí vùng trình tự mục tiêu (vị trí bắt cặp của gRNA) ở 5 dòng dưa leo, so với đối chứng không chỉnh sửa gene. Kết quả lây nhiễm nhân tạo virus CMV trên 10 cây dưa leo mang cấu trúc chỉnh sửa gene cho thấy, tất cả các cây đều có biểu hiện khảm vàng đặc trưng của triệu chứng nhiễm virus sau 2 tuần.
Triệu chứng khảm vàng biểu hiện trên lá của các cây dưa leo chuyển gene (hình trên) và kết quả điện di sản phẩm RT-PCR phát hiện virus CMV (Nguồn: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 trên cây dưa leo hướng đến tạo giống dưa leo có khả năng kháng virus)
Ghi chú: ĐC: Mẫu không chuyển gene; 59-98: mẫu chuyển gene
Phân tích cho thấy hầu hết các mẫu chuyển gene đều bị nhiễm virus và có sự khác biệt về mức độ lây nhiễm giữa các mẫu chuyển gene nhưng chưa cho thấy tính kháng virus biểu hiện rõ ràng ở tất cả các mẫu. Mặc dù cần những nghiên cứu đánh giá sâu hơn về khả năng kháng virus, nhưng đề tài của các nhà khoa học tại Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM đã góp phần tạo tiền đề ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 vào nghiên cứu tạo giống cây trồng tại Việt Nam, đặc biệt là tạo giống kháng virus cho nông sản.
Đu đủ
Ngay từ năm 2016, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ sinh học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã nghiên cứu và áp dụng công nghệ chỉnh sửa gene trên cây đu đủ thông qua hệ thống CRISPR/Cas9 nhằm tìm ra phương pháp xử lý bệnh đốm vòng do virus PRSV (Papaya ringspot virus) gây ra. Theo đó, các cấu trúc chỉnh sửa hệ gene được thiết kế để tạo ra đột biến định hướng làm mất chức năng gene mã hóa cho một nhân tố quan trọng (eIF4E) trong phức hệ khởi đầu dịch mã trong cây đu đủ. Đột biến này ức chế quá trình dịch mã hệ gene virus và ngăn cản sự nhân lên gây hại của virus với cây chủ, từ đó tạo ra tính kháng bệnh ở các dòng cây được chỉnh sửa gene.
Nhóm nghiên cứu đã xây dựng hệ thống cảm ứng tạo rễ tơ hiệu quả trong điều kiện in vivo trên giống đu đủ Lý Nhân của Việt Nam để sử dụng trong đánh giá biểu hiện của gene chuyển, cũng như hoạt động của hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9.
Kết quả nghiên cứu đã tạo được cây đu đủ đột biến, định hướng trên gene eIF4E. Đánh giá bước đầu trong điều kiện nhà lưới cho thấy, các dòng đu đủ chỉnh sửa gene có tính kháng hoàn toàn với bệnh virus đốm vòng. Ngoài ra, ở các dòng cây đu đủ chỉnh sửa gene, không ghi nhận sự khác biệt về hình thái, sinh trưởng phát triển và khả năng tạo quả so với giống chưa chỉnh sửa gene.
Cây đu đủ chưa chỉnh sửa gene (trái) và cây chỉnh sửa gene (phải) sau lây nhiễm virus PRSV trong điều kiện nhà lưới (Nguồn: VNExpress.net)
Kết quả bước đầu của nhóm nghiên cứu về chỉnh sửa gene trên cây đu đủ đã được công bố trên Tạp chí Plant Cell Tissue and Organ Cultures của NXB Springer Nature vào tháng 11/2022, với tên bài báo: “Developing a robust in vivo hairy root system for assessing transgene expression and genome editing efficiency in papaya”.
Tăng chất lượng quả cà chua
Ngoài kháng virus gây bệnh, việc chỉnh sửa gene cũng nhắm đến mục tiêu tăng chất lượng nông sản, nghiên cứu “Ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gene để làm tăng hàm lượng đường và các axit amin có lợi cho sức khỏe trên quả cà chua” đã được các nhà khoa học của Viện Công nghệ sinh học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) thực hiện trên giống cà chua PT18 của Việt Nam.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 mang hai trình tự định hướng để tạo ra các đột biến có mục tiêu trong các vùng trình tự phía trước (uORF) của gene SlbZIP1 liên quan đến quá trình sinh tổng hợp đường và axit amin ở cây cà chua. Kết quả phân tích thành phần quả của các dòng cây được chỉnh sửa gene cho thấy, có sự gia tăng đáng kể hàm lượng đường và axit amin tổng.
Khác biệt về hình thái quả và các thông số sinh hóa của dòng cà chua đối chứng (WT) so với các dòng cà chua chỉnh sửa gene (Nguồn: khoahocphattrien.vn)
Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Planta vào tháng 2/2023, tên bài báo “Disrupting Sc-uORFs of a transcription factor bZIP1 using CRISPR/Cas9 enhances sugar and amino acid contents in tomato (Solanum lycopersicum)”.
***
Ứng dụng công nghệ CRISPR/Cas9 trong nghiên cứu chức năng gene, cải tạo giống cây trồng nhằm tối ưu các tính trạng quan trọng như tăng năng suất, chất lượng, chống chịu với virus gây bệnh và thời tiết bất lợi trong thời gian qua tại Việt Nam đã có những kết quả bước đầu. Tuy nhiên, khác với công nghệ biến đổi gene, hiện nay Việt Nam chưa có hành lang pháp lý đối với các sản phẩm chỉnh sửa gene nên các nghiên cứu hiện vẫn chỉ được triển khai trong phòng thí nghiệm. Liên quan đến kỹ thuật chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9, GS.TS. Chu Hoàng Hà, Phó Chủ tịch Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, cho biết, công nghệ này là khá mới. Theo ông, "Việc làm chủ kỹ thuật mở ra tiềm năng, cơ hội lớn cho các nghiên cứu về chức năng gene cây trồng, hướng tới sẵn sàng cho các nghiên cứu tạo ra dòng cây phục vụ cho chọn tạo giống”.
Với các nghiên cứu đã chứng minh được hiệu quả công nghệ, có thể hi vọng rằng quy chế quản lý đối với sản phẩm chỉnh sửa gene sẽ sớm được các Bộ, ngành ban hành, tạo điều kiện sớm đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng trong thực tiễn sản xuất - kinh doanh và thương mại hóa trên thị trường.
Duy Sang
--------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính
[1] Lam Vân. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 trên cây dưa leo hướng đến tạo giống dưa leo có khả năng kháng virus. https://cesti.gov.vn/bai-viet/CTDS5/nghien-cuu-ung-dung-cong-nghe-chinh-sua-gen-crisprcas9-tren-cay-dua-leo-huong-den-tao-giong-dua-leo-co-kha-nang-khang-virus-52b67f57-647b-4d2b-b45f-2b608e2de60d
[2] Mai Lan. Tìm hiểu về hệ thống chỉnh sửa hệ gen CRISPR. https://www.vinmec.com/vi/tin-tuc/thong-tin-suc-khoe/suc-khoe-tong-quat/tim-hieu-ve-he-thong-chinh-sua-he-gen-crispr/
[3] Như Quỳnh. Việt Nam chỉnh sửa thành công gene đu đủ kháng bệnh đốm vòng. https://vnexpress.net/viet-nam-chinh-sua-thanh-cong-gene-du-du-khang-benh-dom-vong-4544153.html
[4] Nidhi et al. Novel CRISPR–Cas Systems: An Updated Review of the Current Achievements, Applications, and Future Research Perspectives. International Journal of Molecular Sciences.
[5] Thái Thanh. Chỉnh sửa gen để làm tăng hương vị và dinh dưỡng của quả cà chua. https://khoahocphattrien.vn/cong-nghe/chinh-sua-gen-de-lam-tang-huong-vi-va-dinh-duong-cua-qua-ca-chua/20230222051958811p1c859.htm
[5] The Royal Swedish Academy of Sciences. The Nobel Prize in Chemistry 2020 - Genetic scissors: a tool for rewriting the code of life. The Royal Swedish Academy of Sciences.
[6] Vạn Ngữ. Công nghệ chỉnh sửa gen giành Nobel hóa học 2020: Giúp chữa nhiều bệnh, gồm cả ung thư. https://tuoitre.vn/cong-nghe-chinh-sua-gen-gianh-nobel-hoa-hoc-2020-giup-chua-nhieu-benh-gom-ca-ung-thu-20201008090046505.htm