Công cụ chỉnh sửa gene CRISPR trong chẩn đoán bệnh

Mặc dù đồng thời được coi là một phát minh thần kỳ nhưng nguy hiểm về mặt đạo đức, trong những ứng dụng hữu ích của lĩnh vực gene, công nghệ CRISPR có khả năng sửa chữa các khiếm khuyết di truyền và điều trị một loạt các bệnh.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Case Western Reserve đã áp dụng CRISPR để chẩn đoán và phát hiện bệnh. Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Agewandte Chemie, nhóm nghiên cứu do GS Chung Chiun Lui lãnh đạo phát triển một hệ thống cảm biến sinh học phổ dụng, dựa trên hệ thống CRISPR-Cas12a (cpf1), phát hiện nhanh chóng và chính xác các axit nucleic của virus để xác định các dấu ấn sinh học của bệnh, như virus papilloma (HPV) ở người và parvovirus B19.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) là cụm chuỗi ngắn palindromic xen kẽ thường xuyên lặp đi lặp lại có trong ADN của vi khuẩn, được sử dụng như là một phần của hệ thống phòng thủ miễn dịch. CRISPR bao gồm hai thành phần, enzym Cas9, hoạt động như một cặp kéo phân tử, cắt đứt các ADN của virus xâm nhập và RNA dẫn hướng chuỗi ADN chỉnh sửa.

Hoạt động của bộ công cụ chỉnh sửa gen CRISPR. Video Advanced Science News

Trong nghiên cứu gần đây, Lui và nhóm nghiên cứu phát triển một hệ thống mới, được đặt tên là E-CRISPR, một nền tảng chuyển đổi hoạt động của enzym CRISPR thành một tín hiệu điện hóa có thể phát hiện được.

Yifan Dai, nghiên cứu sinh Tiến sĩ tại Đại học Case Western Reserve, một trong những nhà nghiên cứu đầu tiên của công trình khoa học cho biết: Chúng tôi đã giới thiệu một nền tảng căn bản, phát triển trên cơ sở điện hóa của bộ công cụ CRISPR để thăm dò và phát hiện bệnh. Đây là phương pháp đơn giản mà các nhà khoa học và bác sĩ lâm sàng có thể sử dụng như một phương tiện hiệu quả để phát hiện các axit nucleic.

Sơ đồ hoạt động của bộ công cụ E-CRISPR phổ dụng, phát hiện các virus gây bệnh. Ảnh Advanced Science News

E-CRISPR chứa ADN đơn chuỗi, được gắn thẻ methylen xanh và cố định trên điện cực vàng. Hệ thống phát hiện này được thiết lập sao cho khi có sự hiện diện của mục tiêu (chuỗi ADN virus), E-CRISPR sẽ tách ADN sợi đơn cố định này, cắt đứt methylen xanh từ điện cực, tạm dừng quá trình chuyển điện tử đơn (điện hóa).

Điều này có nghĩa là các dấu ấn sinh học di truyền với bất kỳ số lượng virus nào đều có thể được sàng lọc dễ dàng và chính xác bằng E-CRISPR. Nếu CRISPR bắt đầu cắt, các nhà nghiên cứu có thể biết, có virus gây bệnh trước khi các triệu chứng bệnh lý bắt đầu biểu hiện.

Yifan Dai cho biết, công cụ chỉnh sửa gene CRISPR thực hiện nhận dạng mục tiêu dựa trên hoạt động phân tách. Từ góc độ cảm biến, công cụ -CRISPR  thực sự  vừa là cảm biến (chuỗi ADN virus mục tiêu) vừa là cơ cấu chấp hành, tách và chỉnh sửa.

GS Lui nhận định rằng, căn cứ vào những kết quả đạt được, các nhà khoa học của nhóm nghiên cứu tin rằng đã hình thành một giải pháp mới của khoa học cảm biến và phát hiện với nhiều ứng dụng có hiệu quả cao. Phương thức tiếp cận bằng điện hóa có lợi thế hơn hẳn so với các phương pháp phát hiện trực quan, như hiệu quả về chi phí và đơn giản trong thực tế lâm sàng.

Các thí nghiệm sơ bộ của nhóm nghiên cứu xác định thành công các dấu ấn sinh học HPV và parvovirus B19 với độ nhạy và độ chính xác cao.

Mặc dù các thí nghiệm ban đầu rất hứa hẹn, nhưng cũng còn một số hạn chế, như hoạt động nội hàm của enzym và mối liên hệ với độ nhạy của bộ công cụ tìm kiểm. Khả năng phân biệt giữa các virus đột biến điểm và virus gene kiểu tự nhiên của E-CRISPR vẫn cần được giải quyết.

Ông Lui nói: “chúng tôi muốn ( bộ công cụ cảm biến E-CRISPR) có được khả năng lưu trữ và vận chuyển ở nhiệt độ phòng, tương tự như những cảm biến glucose thương mại. Chúng tôi tin rằng một hệ thống phân tích sinh học tích hợp, cơ động có thể thực sự mang lại sự thay đổi tích cực cho các khu vực có nguồn lực hạn chế (vùng sâu, vùng xa), ngành chăm sóc và bảo vệ sức khỏe có thể sử dụng với hiệu quả cao cả về năng lực và thời gian.