Công nghệ “tiêm chủng” cho muỗi: Sắp xóa sổ bệnh sốt rét?

“Vắcxin DNA” đặc trị muỗi
Công cụ mà các nhà khoa học sử dụng là một kỹ thuật biến đổi gene mang tên CRISPR/Cas9. Phát minh này có thể gọi là một thứ “vắcxin DNA”, trong đó các gene được thiết kế sẽ tự gắn vào bộ gene của muỗi. Chỉ trong vòng vài thế hệ, loại vắcxin di truyền này sẽ phát tán và cuối cùng xâm nhập vào gần như tất cả các cá thể muỗi theo con đường sinh sản.

Sáng tạo này vừa được công bố trên trên tạp chí khoa học “Kỷ yếu Viện Hàn lâm khoa học quốc gia” của Mỹ vào cuối tháng 11 vừa qua. Đây được xem là một bước tiến dài trong việc xóa bỏ bệnh sốt rét.
Kevin Esvelt - nhà sinh học tổng hợp tại Đại học Harvard (không nằm trong nhóm tác giả nghiên cứu) - nhận định: “Công trình này cho thấy chúng ta đã có một bước nhảy vọt trong việc xóa bỏ bệnh sốt rét. Một loại “vắcxin” di truyền thực sự chống lại loài muỗi gây bệnh sốt rét cuối cùng cũng đã trình làng”.

“Vắcxin DNA” là các mẫu DNA đã được chỉnh sửa có khả năng sao chép và tự gắn vào các vị trí chính xác trong bộ gene của một sinh vật. Nhờ hoạt động sinh sản tự nhiên, “vắcxin DNA” sẽ được truyền từ đời cha mẹ đến đời con cháu nhằm đảm bảo rằng các thế hệ sau đó gần như chắc chắn sẽ tiếp tục thừa hường phần DNA cần chuyển. Thông thường, xác suất để thế hệ sau nhận được một gene nào đó chỉ là 50%. CRISPR/Cas9 dựa trên một hệ thống chỉnh sửa gene mới được phổ biến rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ sinh học. Công cụ gồm hai phần: Một enzyme chịu trách nhiệm cắt chuỗi DNA gọi là Cas9 và một sợi RNA có khả năng giúp enzyme xác định đúng vị trí cần cắt trên bộ gene.

Trước đó - vào đầu năm 2015, hai nhà khoa học Valentino Grantz và Ethan Bier tại Đại học California, San Diego đã sử dụng công cụ CRISPR để tách được các “DNA vận tải” từ bộ gene của ruồi giấm. “DNA vận tải” chính là các gene mã hóa enzyme và chuỗi RNA trong bộ công cụ chỉnh sửa gene, đảm bảo rằng chuỗi DNA sẽ truyền được qua các thế hệ. Gantz và Bier đã kết hợp với nhóm nghiên cứu của chuyên gia Anthony James tại Đại học California để tạo ra “vắcxin DNA” cho loài muỗi anopheles stephensi.

James và các cộng sự trước đó đã chỉnh sửa bộ gene của muỗi để nó có khả năng mã hóa các kháng thể chống bệnh sốt rét. Theo tuyên bố của nhóm tác giả, họ đã “sản xuất được hàng hóa”. “Món hàng” của James sẽ được chở bằng hệ thống của Gantz và Bier, mục đích cuối cùng là đưa “vắcxin DNA” đến địa điểm tập kết cần thiết.

“Món hàng” trên thực tế hoàn toàn không đơn giản. Ngoài các gene mã hóa kháng thể - RNA dẫn đường và enzyme Cas9, các tác giả còn cần chuyển thêm một gene có khả năng khiến cho mắt những con muỗi mang gene mới biến thành màu đỏ dưới ánh sáng huỳnh quang. Nhờ đó, các nhà khoa học có thể dễ dàng nhận ra cá thể nào đã được biến đổi gene và cá thể nào chưa mang gene mới. Tuy nhiên, việc ghép một chuỗi DNA lớn như vậy không dễ dàng. Trên thực tế, mới chỉ có 2 trên tổng số 25.712 ấu trùng muỗi biểu hiện mắt đỏ dưới ánh sáng huỳnh quang, tương đương với tỷ lệ thành công chưa đến một phần vạn.

Chưa thể là giải pháp vạn năng
“Vắcxin DNA” hoạt động khá hiệu quả trên cả hai cá thể muỗi được chuyển gene thành công. Đến thế hệ thứ ba, 98,9% số cá thể muỗi đực sinh ra từ dòng mới đã nhận được gene cần chuyển. Tỷ lệ này - theo nhà sinh học phân tử Zach Adelman của Đại học Công nghệ Virginia - “là một chỉ dấu rất tốt cho thấy hướng đầu tư là chính xác”. Nhưng bộ gene chỉnh sửa không hoạt động tốt trên các cá thể muỗi cái. Trong phần lớn các cá thể sinh ra từ muỗi cái trong dòng chuyển gene, phân tích màu mắt cho thấy enzyme Cas9 đã cắt được chuỗi DNA cần cắt nhưng quá trình chuyển gene chưa đi đến đích cuối cùng.

Các nhà nghiên cứu đã chỉnh sửa chuỗi DNA để chúng có khả năng tự gắn vào bộ gene mã hóa enzyme kynuerine hydroxylase (KH) ở loài muỗi. Nếu việc chuyển gene diễn ra đúng như dự kiến, mắt của các cá thể mang gene chuyển sẽ đổi sang màu tối rõ rệt. Nhưng nếu enzyme Cas9 chỉ cắt DNA mà không chuyển được chuỗi gene đến đích, các chuỗi DNA được cắt ra sẽ tự động nối lại tạo thành một dạng đột biến khiến cho mắt muỗi chuyển thành màu trắng. Chỉ 3 trên tổng số 1.781 cá thể muỗi sinh ra từ con cái ban đầu có biểu hiện màu mắt trắng hoặc một phần trắng. Đột biến này cũng có tác dụng loại bỏ vị trí cắt đặc hiệu của enzyme Cas9. Trong trường hợp đó, bộ gene cần chuyển sẽ không còn khả năng tích hợp vào vị trí đích được nữa.

Theo các nhà khoa học, trong trứng của các con muỗi cái cũng có thể chứa enzyme Cas9. Khi tinh trùng kết hợp với trứng, gene KH sẽ tự động được cắt và nối lại trước khi “vắcxin DNA” có thể được chuyển đến đích. Hậu quả là “vắcxin DNA” sẽ trở thành vô nghĩa trong quần thể muỗi tự nhiên. Để khắc phục, James và các cộng sự hiện đang thiết kế một bộ “vắcxin DNA” mới chỉ biểu hiện trên con đực.

Các nỗ lực hiện tại trong phòng, chống sốt rét thường trở nên không hiệu quả mỗi khi muỗi mang mầm bệnh phát tán sang các địa điểm mới - nơi quần thể muỗi trước đó đã bị tiêu diệt bằng thuốc hóa học hoặc các phương pháp khác. Các cá thể muỗi mang “vắcxin DNA” sẽ giao phối với quần thể nhập cư này để “tiêm chủng” cho thế hệ sau và loại bỏ nguy cơ bùng phát dịch sốt rét.

“Vắcxin DNA” không phải là giải pháp vạn năng giúp loại bỏ hoàn toàn bệnh sốt rét. Tuy nhiên nếu được sử dụng, nó có thể được kỳ vọng sẽ hỗ trợ loại bỏ căn bệnh và ngăn ngừa dịch quay trở lại.