Giải Nobel Hoá học 2020 vinh danh công nghệ chỉnh sửa gene

Giải Nobel Hóa học năm 2020 được trao cho thành tựu “viết lại bộ mã của sự sống” của hai nhà khoa học nữ: Emmanuelle Charpentier (chuyên gia nghiên cứu ngành Vi sinh tại Viện Max Planck, Berlin, Đức) và Jennifer Doudna (giáo sư ngành Hóa sinh của Đại Học California, Berkeley, Hoa Kỳ).

Hai nữ tiến sĩ đều có những đóng góp rất quan trọng trong việc khám phá ra CRISPR-Cas9, một công cụ được gọi là “chiếc kéo di truyền" (genetic scissors) rất hữu ích trong việc chỉnh sửa gene. CRISPR-Cas9 giúp các nhà nghiên cứu thay đổi DNA của động vật, thực vật và vi sinh vật với độ chính xác cao. Công nghệ này có ảnh hưởng tiên phong trong các ngành khoa học nghiên cứu về sự sống [life science], đóng góp cho các phương pháp điều trị ung thư mới và có thể biến giấc mơ chữa trị các căn bệnh di truyền thành hiện thực.

Để tìm hiểu cơ chế hoạt động bên trong của sinh vật, các nhà nghiên cứu cần sửa đổi các gene trong tế bào. Tuy nhiên, đây là công việc tốn thời gian, khó khăn và đôi khi bất khả. Sử dụng kéo di truyền CRISPR/Cas9 giờ đây có thể thay đổi mã sự sống [code of life] chỉ trong vài tuần.

Việc phát hiện ra những chiếc kéo di truyền này thật bất ngờ. Trong quá trình nghiên cứu của Emmanuelle Charpentier về vi khuẩn Streptococcus pyogenes (liên cầu khuẩn nhóm A), một trong những vi khuẩn gây hại nhiều nhất cho loài người, cô phát hiện ra một phân tử chưa được biết đến trước đây, trans-activating CRISPR RNA (tracrRNA). Công trình của Charpentier cho thấy tracrRNA là một phần quan trọng của hệ thống miễn dịch cổ xưa của vi khuẩn, CRISPR/Cas, vốn có chức năng giải trừ virus bằng cách phân cắt DNA của chúng. CRISPR/Cas là một cấu trúc bao gồm vùng CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) gồm những đoạn trình tự ngắn lặp lại phân cách đều nhau, hầu hết các đoạn có phần trình tự xuôi và ngược giống nhau, đi kèm là một số gen Cas (CRISPR-associated) ở vùng lân cận. (Xem thêm cơ chế hoạt động CRISPR/Cas trong hình bên dưới).

Trước khi đoạt Giải Nobel Hóa học năm 2020, Charpentier công bố khám phá của mình vào năm 2011. Cùng năm, cô bắt đầu hợp tác với Jennifer Doudna, một nhà hóa sinh giàu kinh nghiệm với kiến thức sâu rộng về RNA (một trong hai loại vật chất di truyền ở sinh vật, bên cạnh DNA). Cùng nhau, họ đã thành công trong việc tái tạo chiếc kéo di truyền của vi khuẩn trong ống nghiệm và đơn giản hóa các thành phần phân tử của chiếc kéo để chúng dễ sử dụng hơn. Sau đó họ lập trình lại chiếc kéo di truyền này. Ở dạng tự nhiên, chiếc kéo nhận ra DNA từ virus, nhưng Charpentier và Doudna đã chứng minh rằng có thể kiểm soát chiếc kéo để cắt bất kỳ phân tử DNA nào tại một vị trí xác định trước. Khi DNA đã bị cắt thì rất dễ dàng để viết lại mã sự sống.

Các nhà nghiên cứu hiện đang thực hiện các thử nghiệm lâm sàng cho việc sử dụng kéo di truyền để điều trị các bệnh về máu như bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm và bệnh beta thalassemia, cũng như các bệnh di truyền về mắt. Họ cũng đang phát triển các phương pháp sửa chữa gene trong các cơ quan lớn, chẳng hạn như não và cơ. Các thí nghiệm trên động vật đã chỉ ra rằng virus được thiết kế đặc biệt có thể đưa kéo di truyền đến các tế bào mong muốn, điều trị các mô hình bệnh di truyền nguy hiểm như chứng loạn dưỡng cơ, teo cơ tủy sống và bệnh Huntington.

Tuy nhiên, công nghệ này cần được cải tiến thêm trước khi có thể được thử nghiệm trên người. Công cụ kéo cắt di truyền cũng đã giúp nhiều nghiên cứu cơ bản trong nông nghiệp đạt được thành tựu, chẳng hạn như việc chỉnh sửa gene các giống cây trồng có khả năng chống chịu được nấm mốc, sâu bệnh và hạn hán.

Bên cạnh tất cả những lợi ích to lớn, kéo di truyền cũng có thể bị lạm dụng. Công cụ này có thể được sử dụng để tạo phôi biến đổi gene. Tuy nhiên, trong những năm qua, thế giới đã có những luật lệ và quy định để kiểm soát việc áp dụng kỹ thuật di truyền, trong đó có những quy định cấm sửa đổi bộ gene người, rồi để cho những sửa đổi đó tiếp tục di truyền. Ngoài ra, các thí nghiệm liên quan đến con người và động vật phải luôn được các ủy ban đạo đức xem xét cẩn thận và phê duyệt trước khi tiến hành.

Giải Nobel Hóa học 2020 được cộng đồng khoa học hào hứng đón nhận. Điều đầu tiên, đó là ai cũng công nhận tầm quan trọng của CRISPR/Cas9.  Những chiếc kéo di truyền này sẽ là những công cụ mới góp phần giải quyết nhiều thách thức mà nhân loại đang phải đối mặt. Với những khám phá của mình, Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna đã phát triển một công cụ hóa học đưa khoa học sự sống bước vào một kỷ nguyên mới với một chân trời rộng mở và nhiều bất ngờ phía trước.

Điều kế tiếp, từ Giải Nobel Hóa học 2020 chúng ta có thể nhìn thấy ranh giới trong khoa học ngày càng mờ nhạt. Một nhà hóa học có thể làm việc với một  chuyên gia về vi sinh để tạo ra những công cụ có tiềm năng ứng dụng to lớn trong nông nghiệp và y khoa. Đây cũng là lần đầu tiên hai nhà khoa học nữ cùng chia sẻ một giải Nobel. Vai trò của phụ nữ trong khoa học ngày càng được nâng cao. Họ có thể cùng nhau tìm ra những khám phá vĩ đại, đóng góp chung cho sự tiến bộ của nhân loại.

Tài liệu tham khảo:

1. Doudna JA, Charpentier E. Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science. 2014 Nov 28;346(6213):1258096. doi: 10.1126/science.1258096.

2. Charpentier E, Doudna JA. Rewriting a genome. Nature 495, 50–51 (2013). doi: 10.1038/495050a

3. Jiang F, Doudna JA. CRISPR–Cas9 Structures and Mechanisms. Annual Review of Biophysics 2017 46:1, 505-529. doi: 10.1146/annurev-biophys-062215-010822

4. Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2020. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2020. Fri. 9 Oct 2020. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/press-release/

PGS.TS. Lê Thị Lý – Giảng viên bộ môn Hoá sinh Ứng dụng, Đại Học Quốc Tế

Biên tập: Nguyễn Phương Văn.