Kỹ thuật làm gỗ 7.000 năm tuổi giúp Trung Quốc phát minh công cụ chỉnh sửa DNA tốt nhất thế giới

Chiến lược chỉnh sửa gene mới chính xác hơn trong việc chèn và thay thế gen ở cây lúa. Ảnh: Shutterstock.

Trong hành trình tìm cách vượt qua Mỹ trong lĩnh vực chỉnh sửa gene, một nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã bất ngờ quay về với các truyền thống cổ xưa – và từ đó tạo ra một kỹ thuật mới hiệu quả gấp 10 lần các phương pháp hiện nay.

Làm thế nào để vượt qua Mỹ trong công nghệ chỉnh sửa gene? Đây là câu hỏi mà một nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Bắc Kinh và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã vật lộn suốt ba năm liền nhưng không đạt được kết quả nào đáng kể.

Bước ngoặt chỉ đến khi họ quyết định lấy cảm hứng từ một kỹ thuật mộc cổ truyền của Trung Quốc và “cắt ghép DNA như ghép gỗ”. Từ đó, họ phát triển được một công cụ chỉnh sửa gene với hiệu suất chưa từng có.

Trong kỹ thuật mộng – lỗ mộng truyền thống của Trung Quốc, còn gọi là sunmao, người thợ không dùng đinh hay keo. Thay vào đó, một phần nhô ra gọi là “mộng” của miếng gỗ này sẽ khớp chặt vào “lỗ mộng” tương ứng của miếng gỗ kia, tạo thành một cấu trúc liên kết vững chắc.

Những ví dụ sớm nhất của kỹ thuật này có thể được truy nguyên về nền văn hóa Hemudu (Hà Mỗ Độ) ở tỉnh Chiết Giang, cách đây khoảng 7.000 năm.

Chiến lược chỉnh sửa gene mới cho phép đạt hiệu suất chèn và thay thế DNA chính xác lên tới 59,47% ở cây lúa, vượt xa các công cụ chỉnh sửa chủ đạo hiện nay. Ở một số locus gene nhất định – tức các vị trí vật lý cố định của gene hoặc trình tự DNA trên nhiễm sắc thể – hiệu quả chỉnh sửa của phương pháp này cao gấp 10 lần so với hệ thống Cas9 truyền thống.

CRISPR-Cas9, công cụ chỉnh sửa gene phổ biến nhất hiện nay, do các nhà khoa học liên quan đến Đại học Harvard và MIT tiên phong phát triển, với các bằng sáng chế cốt lõi vẫn còn hiệu lực đến năm 2038.

“Các công cụ chỉnh sửa gene giống như máy quang khắc; nếu bị ‘bóp nghẹt’, thì không thể làm được gì cả”, ông Trương Hoa Vệ, nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Nông nghiệp Tiên tiến thuộc Đại học Bắc Kinh, nói trong cuộc phỏng vấn với China Science Daily ngày 6/1. “Cũng như việc chúng ta cần máy quang khắc của riêng mình, chúng ta cần các công cụ chỉnh sửa gene do chính mình phát triển”.

Tháng 12/2019, ông Trương thành lập phòng thí nghiệm riêng tại Đại học Bắc Kinh với mục tiêu xây dựng một khung chỉnh sửa gene chính xác, có quyền sở hữu trí tuệ độc lập cho Trung Quốc.

Trong chọn tạo giống cây trồng, việc chèn hoặc thay thế các đoạn DNA một cách chính xác và không để lại “sẹo” được xem là công nghệ then chốt để vượt qua các nút thắt trong cải tiến giống và tăng cường an ninh lương thực quốc gia.

Tuy nhiên, trong ba năm đầu tiên, các thí nghiệm của nhóm không tạo ra được dữ liệu khả dụng. Ý tưởng mới chỉ nảy sinh khi họ liên hệ đến cấu trúc mộng – lỗ mộng cổ xưa.

Các kỹ thuật kiến trúc gỗ truyền thống của Trung Quốc, bao gồm mộng – lỗ mộng, đã được UNESCO ghi danh vào Danh sách Di sản Văn hóa Phi vật thể Đại diện của Nhân loại.

Ông Trương nhận ra rằng nguyên lý mộng – lỗ mộng rất giống với khung chỉnh sửa gene mà nhóm đang tìm kiếm: đạt được sự tích hợp chính xác thông qua việc tạo ra các “mộng” và “lỗ mộng” bổ sung cho nhau ở cấp độ DNA.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một cấu trúc đứt gãy sợi đôi đặc biệt – đóng vai trò như “lỗ mộng” – tại các vị trí mục tiêu trong hệ gene của lúa, với phần nhô ra được xác định rõ. Sau đó, họ tổng hợp một đoạn DNA sợi đôi đóng vai trò “mộng”, với các đầu bổ sung tương ứng với “lỗ mộng”.

Thông qua sự bắt cặp và nối ghép chính xác, hệ thống “kết nối mộng – lỗ mộng” (MT system) cho phép chèn và thay thế các đoạn DNA theo hướng xác định.

Tại một locus gene đơn lẻ, hiệu suất chèn xuôi của hệ MT đạt 46,55% và 48,12%, hoàn toàn không xảy ra chèn ngược. Trong khi đó, hệ Cas9 truyền thống kết hợp với các donor tiêu chuẩn chỉ đạt hiệu suất khoảng 1%.

Ở các vị trí tối ưu, hiệu suất chèn xuôi của hệ MT đạt tới 83,54%, với tỷ lệ chèn chính xác 59,47% – cao hơn hơn 10 lần so với hệ Cas9.

Không chỉ vượt trội về hiệu quả, hệ MT còn cho phép “chỉnh sửa không để lại sẹo”. Các hệ thống trước đây thường phải dựa vào recombinase, để lại các trình tự nhận diện ngắn tại vị trí chèn – tương tự như vết sẹo phẫu thuật.

“Hệ mộng – lỗ mộng của chúng tôi không cần những trình tự như vậy; sau khi chỉnh sửa, nó không để lại bất kỳ base dư thừa nào”, ông Trương nhấn mạnh.

Theo SCMP

Huyền Chi