Video được ghi lại bằng mũi dò có kích thước chỉ bằng 1 nguyên tử.
Bạn có muốn tận mắt chứng kiến một trong những điều kì diệu nhất của khoa học thế kỷ 21 không? Hãy xem video này. Nó là quá trình protein Cas9 cắt đôi một đoạn DNA bằng cơ chế CRISPR. Đây là lần đầu tiên quá trình này được quay lại thành một video thời gian thực.
Trước đây, các nhà khoa học biết CRISPR làm việc, nhưng chưa bao giờ tận mắt chứng kiến điều đó. Hóa ra, chỉnh sửa gene là như thế này đây:
Quá trình protein Cas9 cắt đôi một đoạn DNA được ghi lại trong thời gian thực.
Đoạn video này đã được trình chiếu tại hội nghị CRISPR 2017 ở Montana, Hoa Kỳ bởi nhà sinh học cấu trúc Osamu Nureki làm việc tại Đại học Tokyo.
“Tôi đang ngồi ở phía trước hội trường khi đó, và rồi tôi đã nghe được những tiếng nín thở kinh ngạc từ mọi người phía sau”, nhà sinh vật học Sam Sternberg thuật lại giây phút ngỡ ngàng của mình.
Trong những năm gần đây, CRISPR-Cas9 đã tạo ra một làn sóng trong lĩnh vực nghiên cứu di truyền. Nó thể hiện là một công cụ chỉnh sửa gen giá rẻ nhưng hiệu quả, cho độ chính xác cực kỳ cao. CRISPR-Cas9 khai thác một phần cơ chế hệ miễn dịch của vi khuẩn, trong đó chứa các đoạn trình tự lặp CRISPR trong bộ gen.
Khi vi khuẩn bị nhiễm DNA ngoại lai, nó sẽ chèn đoạn DNA ngoại lai này vào vùng CRISPR trong bộ gen của mình. Vi khuẩn sau đó sẽ phiên mã chúng thành một số RNA “chỉ điểm”. RNA này nói cho protein Cas biết đâu là DNA ngoại lai đang xâm nhập vi khuẩn. Sau khi tìm thấy chúng, Cas giống như một chiếc kéo tự động sẽ cắt tan DNA ngoại lai để bảo vệ sự an toàn cho vi khuẩn.
Cơ chế cắt gene của hệ thống CRISPR-Cas9 đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học. Năm 2012, họ đã chứng minh được tiềm năng của hệ thống này, bằng cách cố ý mã hóa CRISPR với một DNA cụ thể. Sau đó, hệ thống có thể cắt các gene ở đúng đoạn DNA mục tiêu, mở ra cơ hội chỉnh sửa gene vô cùng chính xác.
Video mô phỏng lại quá trình CRISPR-Cas9 cắt ghép DNA.
Kỹ thuật CRISPR/Cas9 đã hoạt động trên nhiều loài, không chỉ vi khuẩn. Các nhà khoa học đã thử sử dụng nó để điều trị bệnh di truyền ở chuột, thay đổi màu sắc của hoa, loại bỏ virus HIV trong tế bào động vật sống, làm chậm tế bào ung thư và thậm chí là chỉnh sửa gen phôi ngườiđể loại bỏ những gen gây bệnh.
Mặc dù vậy, từ trước tới nay, quan sát thực tế quá trình CRISPR chưa bao giờ được tiến hành. Các nhà khoa học biết chúng hoạt động, chỉ sau khi chúng đã hoạt động và cho kết quả. Một mặt nào đó, nó khiến cho những lý thuyết về CRISPR chỉ là giả thuyết. Quá trình cắt gene đơn giản là quá nhỏ bé để có thể được nhìn thấy và quay lại.
Phải tới tận khi video đầu tiên này được thực hiện, chúng ta mới có cơ hội tận mắt chứng kiến điều kì đã xảy ra như thế nào, bên trong các gen được chỉnh sửa. Để quay lại quá trình này, Nureki và đội của ông đã sử dụng một kính hiển vi lực nguyên tử tốc độ cao.
Nó là một thiết bị không hoạt động trên cơ chế quang học đơn thuần, mà gồm một đầu dò với mũi cực kỳ nhỏ, chỉ nhỏ bằng một nguyên tử. Đầu dò được quét qua bề mặt mẫu vật và khi nó đến gần sẽ tương tác với các nguyên tử khác bằng lực Van der Waals.
Cơ chế hoạt động của kính hiển bị lực nguyên tử.
Van der Waals là một lực phân tử, sinh ra bởi sự phân cực điện tử, sẽ làm thanh gắn đầu dò rung động. Tín hiệu này được một laser ghi lại và từ đó tái tạo lại hình ảnh trên bề mặt quét.
Hiểu đơn giản, nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử giống như một họa sĩ nhắm mắt rồi sờ lên mẫu vật, sau đó vẽ lại chính xác thứ mà ông sờ thấy. Chỉ có điều, khi laser là thứ được dùng để vẽ lại hình ảnh đầu dò nguyên tử “sờ” được, nó là một quá trình khách quan và không phụ thuộc vào chủ quan của một họa sĩ nào cả.
Video mà các nhà khoa học Nhật Bản ghi lại được quá trình CRISPR làm việc được đăng tải trên Twitter của một thành viên trong nhóm, Hiroshi Nishimasu. Trong đó, thứ màu vàng như cục bông gòn mà bạn thấy chính là các protein Cas9. Sợi màu nâu chính là DNA. Protein Cas9 đã cắt đôi đoạn DNA trong một vài giây.
Toàn bộ đoạn video kéo dài khoảng 10 giây là những hình ảnh khoa học đầu tiên, và tuyệt vời nhất về kỹ thuật chỉnh sửa gen CRISPR, mà chúng ta được chứng kiến trong thế kỷ 21.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.