Sử dụng công nghệ CRISPR để thay đổi màu sắc hoa
Lần đầu tiên trên thế giới, các nhà khoa học đã sử dụng rộng rãi công nghệ CRISPR (hay còn gọi là hệ thống CRISPR/Cas9), công cụ chỉnh sửa gen để thay đổi màu sắc hoa ở cây cảnh.
Những nhà nghiên cứu đến từ Trường Đại học Tsukuba, Tổ chức nghiên cứu lương thực và nông nghiệp quốc gia (NARO) và đại học Yokohama, ở Nhật Bản đã làm thay đổi màu sắc hoa cây trồng truyền thống trong vườn của người Nhật có tên là cây hoa bìm bịp với tên tiếng anh là Japanese morning glory (tên khoa học Ipomoea nil hoặc Pharbitis nil), từ màu tím chuyển sang màu trắng bằng cách chỉ làm gián đoạn một gen.
Nghiên cứu này làm nổi bật tiềm năng to lớn của hệ thống CRISPR/Cas9 nhằm nghiên cứu và vận dụng các gen đối với rau, hoa và cây cảnh.
Cây hoa bìm bịp còn gọi là Asagao, được chọn trong nghiên cứu này vì nó là một trong hai cây cảnh truyền thống điển hình trong Dự án tài nguyên sinh học Quốc gia ở Nhật Bản (NBRP).
Nhiều nghiên cứu di truyền về cây này đã được thực hiện, đã xác định được trình tự bộ gen của nó và các phương pháp chuyển DNA. Ngoài ra, do mối quan tâm của công chúng với các công nghệ di truyền như CRISPR/Cas9 hiện đang là một vấn đề xã hội ở Nhật, các nghiên cứu sử dụng cây trồng phổ biến và rộng rãi này có thể giúp làm sáng tỏ sự quan tâm của công chúng về chủ đề này.
Nhóm nghiên cứu đã nhắm đến một gen duy nhất có tên dihydroflavonol-4-reductase-B (DFR-B), mã hóa enzyme sinh tổng hợp anthocyanin, là tác nhân tạo ra màu sắc của lá và hoa, và cành cây. Hai gen khác liên quan chặt chẽ (DFR-A và DRF-C) nằm cạnh nhau, sát bên cạnh DFR-B. Do đó, thách thức là nhắm đến gen DFR-B một cách chính xác và chuyên biệt mà không làm thay đổi các gen khác.
Công nghệ CRISPR Cas9 đã được sử dụng vì hiện nay nó là phương pháp chỉnh sửa gen chính xác nhất.
Hệ thống CRISPR (Clustered Regulared Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas9 dựa trên cơ chế bảo vệ vi khuẩn (khỏi DNA ngoại lai). Nó bao gồm hai phân tử làm thay đổi trình tự DNA. Cas9 là enzyme cắt hai sợi DNA tại một vị trí chính xác để DNA có thể được thêm vào hoặc cắt bỏ. Cas9 được dẫn đường đến vị trí chính xác bởi gRNA, hay còn gọi là RNA dẫn đường, là một mẫu phân tử RNA đã được thiết kế để bổ sung cho trình tự DNA mục tiêu. Cas9 cắt hai sợi DNA tại vị trí mục tiêu, cho phép DNA được cắt bỏ hoặc thêm vào.
Theo bài báo ngày 30 tháng 8 năm 2017 được đăng trong Scientific Reports, một trình tự DNA ngắn trong gen glor DFR-B của cây hoa bìm bịp đã được chọn làm mục tiêu cho hệ thống CRISPR/Cas9.
Trình tự này chứa vị trí hoạt động của enzyme được tạo ra bởi gen DFR-B. Do đó, sự gián đoạn của trình tự sẽ không kích hoạt enzym, làm không xuất hiện sắc tố anthocyanin.
Hệ thống CRISPR/Cas9 đã được chèn vào phôi nuôi cấy mô của cây hoa bìm bịp bằng cách sử dụngvi khuẩn Rhizobium có khả năng chuyển gen DNA.
Như kỳ vọng, enzym DFR-B đã được làm bất hoạt thành công, kết quả là khoảng 75% cây chuyển gen có cành màu xanh và hoa màu trắng. Các cây không chuyển gen có enzym hoạt động có cành màu tím và hoa màu tím. Những thay đổi về màu sắc cành cây được quan sát rất sớm trong quá trình nuôi cấy mô.
Một loạt các phân tích di truyền đã khẳng định rằng trình tự DNA mục tiêu đã được thay đổi trong các cây chuyển gen, với việc chèn DNA hoặc cắt bỏ DNA trong cả hai bản sao của gen DFR-B (còn gọi là các gen đột biến bi-allellic).
Các gen liên quan khác là DFR-A và DFR-C đã được kiểm tra và không có đột biến nào được tìm thấy, khẳng định tính đặc hiệu cao của hệ thống CRISPR/Cas9.
Tiếp theo các nhà nghiên cứu kiểm tra sự di truyền của các đột biến do CRISPR/Cas9 gây ra bằng cách phân tích cây trồng ở thế hệ tiếp theo. Những cây này trông giống hệt bố mẹ chúng. Trong số những cây này có một số không có dấu hiệu của DNA được đưa vào. Điều này đưa ra một số câu hỏi thú vị về quy định đối với các sinh vật biến đổi gen (GMOs), vì những thế hệ cây trồng kế tiếp này được coi là cây chuyển gen, căn cứ vào các định nghĩa dựa trên tiến trình (chúng được tạo ra như thế nào) và được xem là cây không biến đổi gen khi căn cứ vào việc định danh sản phẩm (sự có mặt của DNA ngoại lai trong sản phẩm cuối cùng).
Công nghệ CRISPR này cũng cực kỳ hữu ích trong việc khẳng định chức năng của gen. Các thí nghiệm trong thập niên 1930 và thập niên 1990 đã sử dụng các kỹ thuật sàng lọc di truyền “tiên phong” để tìm ra các gen tạo ra màu sắc hoa trong cây hoa bìm bịp.
Hệ thống CRISPR/Cas9 được miêu tả ở đây là phương pháp tiếp cận di truyền “bảo tồn”, được sử dụng để tìm hiểu xem sinh vật sẽ giống như thế nào sau khi biết được một gen bị gián đoạn và khẳng định rằng gen DFR-B là gen chủ yếu tạo ra màu sắc trong cây hoa bìm bịp.
Hiện tại, công nghệ CRISPR không hiệu quả 100%, nghĩa là không phải tất cả các cây trồng mục tiêu sẽ là cây chuyển gien. Tuy nhiên tỷ lệ đột biến 75% trong nghiên cứu này là tương đối cao. Đây là một trong những lý do mà nghiên cứu này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho những người quan tâm đến việc thay đổi màu sắc và hình dạng hoa bằng cách sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9 đối với cây cảnh hoặc cây rau làm cảnh.
Câu chuyện về cây hoa bìm bịp bắt đầu vào thế kỷ 8 sau Công nguyên, với việc đưa những cây hoa màu xanh hoang dại vào Nhật Bản từ Trung Quốc. Năm 1631, cây hoa bìm bịp màu trắng đầu tiên của Nhật Bản được dùng trang trí ở Nhật Bản. Những gì mang tính chất gần 850 năm để đạt được đã ít hơn một lần sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9, điều này cho thấy cả sức mạnh lẫn tiềm năng của hệ thống CRISPR/Cas9.
Nguồn tham khảo: CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of the dihydroflavonol-4-reductase-B (DFR-B) locus in the Japanese morning glory Ipomoea (Pharbitis) nil. Scientific Reports, 2017; 7 (1) DOI: 10.1038/s41598-017-10715-1.
>> Đọc thêm:
- Chỉnh sửa RNA bằng CRISPR
- Ứng dụng hệ thống CRISPR Cas9
- Chỉnh sửa gen người – Nên hay Không?
- Công nghệ chỉnh sửa gen bằng CRISPR-Cas9
Cẩm Tú (tổng hợp)
www.tapchisinhhoc.com
No Responses