From the smallest single-celled organism to the largest creatures on earth, every living thing is defined by its genes. The DNA contained in our genes acts like an instruction manual for our cells. Four building blocks called bases are strung together in precise sequences, which tell the cell how to behave and form the basis for our every trait. But with recent advancements in gene editing tools, scientists can change an organism’s fundamental features in record time. They can engineer drought-resistant crops and create apples that don’t brown. They might even prevent the spread of infectious outbreaks and develop cures for genetic diseases. CRISPR is the fastest, easiest, and cheapest of the gene editing tools responsible for this new wave of science. But where did this medical marvel come from? How does it work? And what can it do?
Từ các sinh vật đơn bào nhỏ nhất đến các sinh vật to lớn nhất trên Trái đất, tất cả đều được xác định bởi bộ gen. DNA trong gen hoạt động như bảng chỉ dẫn cho các tế bào. Bốn chất nền cơ bản được gọi là đơn phân liên kết với nhau theo trình tự xác định, cho tế bào biết cách tổ chức và tạo cơ sở hình thành mọi tính trạng. Nhưng gần đây, với những tiến bộ trong công cụ chỉnh sửa gen, các nhà khoa học đã có thể thay đổi các tính trạng cơ bản của sinh vật trong thời gian rất ngắn. Họ có thể thiết kế các giống cây trồng chịu hạn và tạo ra những quả táo không bị thâm sau khi cắt. Họ, thậm chí, còn có thể ngăn chặn sự lây lan của dịch bệnh và tạo ra các phương thức chữa trị các bệnh di truyền. CRISPR là công cụ chỉnh sửa gen nhanh nhất, dễ nhất và rẻ tiền nhất, là nhân tố chính của làn sóng khoa học mới. Vậy liệu pháp y học kỳ diệu này đến từ đâu? Hoạt động như thế nào? Và có những ứng dụng gì?
Surprisingly, CRISPR is actually a natural process that’s long functioned as a bacterial immune system. Originally found defending single-celled bacteria and archaea against invading viruses, naturally occurring CRISPR uses two main components. The first are short snippets of repetitive DNA sequences called “clustered regularly interspaced short palindromic repeats,” or simply, CRISPRs. The second are Cas, or “CRISPR-associated” proteins which chop up DNA like molecular scissors. When a virus invades a bacterium, Cas proteins cut out a segment of the viral DNA to stitch into the bacterium’s CRISPR region, capturing a chemical snapshot of the infection. Those viral codes are then copied into short pieces of RNA. This molecule plays many roles in our cells, but in the case of CRISPR, RNA binds to a special protein called Cas9. The resulting complexes act like scouts, latching onto free-floating genetic material and searching for a match to the virus. If the virus invades again, the scout complex recognizes it immediately, and Cas9 swiftly destroys the viral DNA.
Ngạc nhiên thay, CRISPR thực ra là một chu trình tự nhiên từ lâu hoạt động dưới dạng hệ thống miễn dịch của vi khuẩn. Mục đích ban đầu của nó là bảo vệ vi khuẩn đơn bào và vi khuẩn cổ chống lại các virus xâm nhập, CRISPR trong tự nhiên sử dụng hai thành phần chính. Thứ nhất là những đoạn trình tự DNA ngắn lặp đi lặp lại gọi là: "cụm trình tự ngắn đối xứng phân cách đều bởi các vùng đệm", hay gọi tắt là CRISPR. Thứ hai là Cas, hay protein liên kết với CRISPR làm công việc cắt đứt DNA như kéo cắt phân tử. Khi vi khuẩn bị virus xâm nhập, protein Cas cắt DNA của virus gắn vào một đoạn trình tự CRISPR của vi khuẩn, lưu lại cấu trúc hóa học của sự nhiễm trùng. Những đoạn mã này sau đó được sao chép thành các đoạn RNA ngắn. RNA có nhiều chức năng trong tế bào, nhưng trong trường hợp CRISPR, nó liên kết với một protein đặc biệt gọi là Cas9. Phức hợp này hoạt động như những trinh sát, bám vào vật liệu di truyền trôi nổi và tìm kiếm các vật liệu trùng khớp với DNA virus. Nếu virus xâm nhập một lần nữa, phức hợp này sẽ nhận ra ngay lập tức, và Cas9 sẽ nhanh chóng phá hủy DNA của virus.
Lots of bacteria have this type of defense mechanism. But in 2012, scientists figured out how to hijack CRISPR to target not just viral DNA, but any DNA in almost any organism. With the right tools, this viral immune system becomes a precise gene-editing tool, which can alter DNA and change specific genes almost as easily as fixing a typo.
Rất nhiều vi khuẩn có cơ chế phòng thủ kiểu này. Năm 2012, các nhà khoa học đã tìm ra cách điều khiển CRISPR hướng đến các mục tiêu không chỉ là DNA của virus, mà bất kỳ DNA nào của gần như mọi sinh vật. Với các công cụ thích hợp, hệ miễn dịch này trở thành công cụ chỉnh sửa gen chính xác, có thể thay đổi DNA và các gen cụ thể dễ dàng như sửa một lỗi đánh máy.
Here’s how it works in the lab: scientists design a “guide” RNA to match the gene they want to edit, and attach it to Cas9. Like the viral RNA in the CRISPR immune system, the guide RNA directs Cas9 to the target gene, and the protein’s molecular scissors snip the DNA. This is the key to CRISPR’s power: just by injecting Cas9 bound to a short piece of custom guide RNA scientists can edit practically any gene in the genome.
Đây là cách nó hoạt động trong phòng thí nghiệm: các nhà khoa học thiết kế một RNA dẫn đường tương thích với gen muốn chỉnh sửa, và gắn nó vào Cas9. Giống như RNA virus trong CRISPR trong hệ miễn dịch, RNA này dẫn Cas9 đến gen đích. và kéo cắt phân tử cắt DNA. Đây là cốt lõi sức mạnh của CRISPR: bằng cách tiêm Cas9 liên kết với một đoạn RNA dẫn đường ngắn có thể tùy chỉnh,
Once the DNA is cut, the cell will try to repair it. Typically, proteins called nucleases trim the broken ends and join them back together. But this type of repair process, called nonhomologous end joining, is prone to mistakes and can lead to extra or missing bases. The resulting gene is often unusable and turned off. However, if scientists add a separate sequence of template DNA to their CRISPR cocktail, cellular proteins can perform a different DNA repair process, called homology directed repair. This template DNA is used as a blueprint to guide the rebuilding process, repairing a defective gene or even inserting a completely new one.
các nhà khoa học có thể chỉnh sửa bất kỳ gen nào trong bộ gen. Sau khi DNA bị cắt, tế bào sẽ cố sửa chữa nó. Thông thường, protein tên là nuclease xén các đầu bị gãy và nối chúng lại với nhau. Quy trình sửa chữa này gọi là mối nối bất tương đồng, dễ có những sai sót và có thể dẫn đến việc thừa hoặc thiếu đơn phân. Khiến gen sau khi chỉnh sửa thường không thể hoạt động hoặc bị vô hiệu hóa. Tuy nhiên, nếu các nhà khoa học thêm một chuỗi DNA mẫu khác vào phức hợp CRISPR, protein sẽ thực thi một quá trình sửa chữa DNA khác, gọi là sửa chữa tương đồng. DNA mẫu này được dùng để hướng dẫn quá trình tái cấu trúc, sửa chữa gen lỗi
The ability to fix DNA errors means that CRISPR could potentially create new treatments for diseases linked to specific genetic errors, like cystic fibrosis or sickle cell anemia. And since it’s not limited to humans, the applications are almost endless. CRISPR could create plants that yield larger fruit, mosquitoes that can’t transmit malaria, or even reprogram drug-resistant cancer cells. It’s also a powerful tool for studying the genome, allowing scientists to watch what happens when genes are turned off or changed within an organism.
hoặc thậm chí, chèn thêm một gen hoàn toàn mới. Khả năng sửa lỗi DNA nghĩa là CRISPR có khả năng tạo ra phương pháp điều trị bệnh mới liên quan đến các lỗi di truyền, như xơ nang hay hồng cầu hình liềm. Và vì không giới hạn chỉ ở con người, các ứng dụng của nó gần như vô tận. CRISPR có thể tạo ra các giống cây trồng có quả lớn hơn, các loài muỗi không thể truyền bệnh sốt rét hay thậm chí, lập trình lại các tế bào ung thư kháng thuốc. Nó cũng là một công cụ quyền năng để nghiên cứu bộ gen, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các gen bị vô hiệu hóa hoặc thay đổi ở một sinh vật.
CRISPR isn’t perfect yet. It doesn’t always make just the intended changes, and since it’s difficult to predict the long-term implications of a CRISPR edit, this technology raises big ethical questions. It’s up to us to decide the best course forward as CRISPR leaves single-celled organisms behind and heads into labs, farms, hospitals, and organisms around the world.
CRISPR vẫn chưa hoàn thiện. Không phải lúc nào nó cũng tạo ra những thay đổi như dự định, và vì khó dự đoán các tác động lâu dài nó, công nghệ này vẫn còn là câu hỏi lớn về vấn đề đạo đức. Con đường phía trước sẽ tùy thuộc vào quyết định của ta khi CRISPR bước ra khỏi giới hạn của các sinh vật đơn bào, đi vào phòng thí nghiệm, trang trại, bệnh viện, và cơ thể các sinh vật trên toàn thế giới.