Công nghệ chuyển gen tối ưu trên cây lúa

Phân tích trình tự gen được chỉnh sửa thông qua hệ thống Prime editing (A).

Công nghệ chỉnh sửa gen tối ưu

TS Nguyễn Xuân Cường và các đồng nghiệp tại Phòng Công nghệ tế bào thực vật, Viện Công nghệ sinh học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vừa công bố kết quả nghiên cứu thành công trong việc cải tiến và phát triển hệ thống Prime editing trong cải thiện các tình trạng chất lượng trên lúa. Đây là kết quả của đề tài thu hút cán bộ khoa học trẻ vào làm việc tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam do TS Nguyễn Xuân Cường làm chủ nhiệm.

Lúa gạo là sản phẩm xuất khẩu chủ lực của Việt Nam. Việc chọn tạo giống lúa theo định hướng ở nước ta đã được chú trọng hơn trong thời gian gần đây. Giải pháp ứng dụng các kỹ thuật mới, hiện đại để nâng cao năng suất cho các giống lúa chất lượng cao là rất cần thiết. Kỹ thuật chuyển gen được cho là công cụ hữu hiệu trong việc tạo giống mới và đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới ở nhiều loại cây trồng trong đó có cây lúa.

Sự ra đời và phát triển của công nghệ chỉnh sửa gen thông qua hệ thống CRISPR/Cas đã mang lại những thành tựu vượt bậc trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu từ cơ bản tới định hướng ứng dụng trên thế giới. Các nhà khoa học tiếp tục hoàn thiện và phát triển các hệ thống chỉnh sửa gen mới có hiệu quả cao và toàn diện hơn.

Prime editing là một công cụ chỉnh sửa hệ gen mới được phát triển vào năm 2019 và được khẳng định là công cụ chỉnh sửa gen có tính chính xác và linh hoạt cao hơn so với tất cả các hệ thống chỉnh sửa gene truyền thống như CRISPR/Cas9, CRISPR/Cas12 hay Base-editing. Công nghệ Prime editing này có thể tạo ra tất cả các loại thay đổi ở DNA như thay thế nhiều nucleotide, chèn đoạn DNA, làm mất đoạn DNA chính xác tại vị trí mục tiêu.

Trên thực vật, ứng dụng công nghệ Prime editing vẫn còn ở mức ban đầu, thành công trong việc áp dụng công nghệ này chỉ hạn chế ở một số phòng thí nghiệm do hiệu suất chỉnh sửa gen của hệ thống này vẫn còn rất thấp.

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm tác giả đã phát triển hệ thống Prime editing kép TwinPE, kết hợp với các cải tiến trong nâng cao biểu hiện của trình tự định hướng pegRNA để tăng cường hiệu suất chỉnh sửa gen lên đế 44,2%, gấp 4 lần với hệ thống PE thông thường.

Đặc biệt trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng hệ thống Prime editing để chèn chính xác một đoạn DNA 14bp nhằm khôi phục chức năng gen Rc, một gen kiểm soát màu sắc và các hợp chất flavonid trên giống lúa mô hình Kitaake.

Tính chính xác và hiệu quả của hệ thống Prime editing đã được kiểm chứng thông qua phân tích trình tự gen cũng như việc chuyển đổi màu sắc hạt gạo và biểu hiện của các gen liên quan.

Triển vọng trên các nhóm cây trồng khác

Thành tựu đạt được của đề tài đã mở ra cơ hội to lớn trong nghiên cứu cơ bản về chức năng gen cũng như cải tạo giống cây trồng ở nước ta. Đây cũng là cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu, phát triển công nghệ Prime editing trên các nhóm cây trồng quan trọng khác ở Việt Nam và trên thế giới. Kết quả nghiên cứu được nhóm tác giả công bố trên tạp chí uy tín về Công nghệ tế bào và gen thực vật.

Theo nhóm nghiên cứu, trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghệ chỉnh sửa gen đang trở thành một công cụ mạnh mẽ trong việc cải thiện cây trồng, đáp ứng các thách thức toàn cầu về an ninh lương thực và biến đổi khí hậu. Với những xu hướng hiện tại và sự phát triển không ngừng, chỉnh sửa gen chắc chắn sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai của nông nghiệp.

Những tiến bộ mới của công nghệ hứa hẹn sẽ mang lại sự chính xác cao và giảm thiểu các rủi ro không mong muốn. Công nghệ chỉnh sửa gen đang được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp để cải thiện các tính trạng mong muốn ở cây trồng, bao gồm: Khả năng duy trì năng suất trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường (tăng khả năng chống chịu với hạn hán, mặn và nhiệt độ cao...), tăng cường dinh dưỡng, kháng sâu bệnh hay giảm phát thải khí nhà kính hướng tới phát triển nông nghiệp xanh và bền vững.

Công nghệ mang lại hướng đột phá trong các nghiên cứu ứng dụng của ngành sinh học tổng hợp giúp tạo cây mang các gen ngoại lai được chèn chính xác ở vị trí mong muốn, do đó có thể giúp loại bỏ tính bất định trong quá trình biểu hiện gen bởi cơ chế bất hoạt gen do gen bị chèn ngẫu nhiên trong hệ gen cây trồng bằng phương pháp truyền thống.

Công nghệ cho phép chỉnh sửa gen chính xác với hiệu quả cao ở mọi vị trí trong hệ gen, mọi kiểu chỉnh sửa, và mọi loại cây trồng.

Nhật Phong