Các nhà khoa học đang cân nhắc các biện pháp và thời điểm để sử dụng những công cụ gien mới nhằm vô hiệu hóa hoặc loại trừ các động vật gây hại như muỗi và chuột. Các quá trình thử nghiệm đã đạt được những thành quả, nhưng bên cạnh đó, vẫn còn có những mối quan tâm xa hơn nữa.
Kiwi và các loài chim bản địa khác ở New Zealand đang gặp bất ổn. Vào thế kỷ 19, các thương nhân và người nhập cư từ châu Âu đã du nhập nhiều con chuột nước ngoài, những con chồn ermine và các động vật khác đến đảo quốc Nam Thái Bình Dương.
Kể từ đó, nhiều loài động vật trong số những động vật phi bản địa này, được gọi là những động vật xâm lấn, đang săn mồi những con chim bản địa, một số trong những loài chim đó không biết bay.
Các nhà lãnh đạo New Zealand muốn loại bỏ những động vật xâm lấn và một công nghệ mới có thể trợ giúp điều đó. Nhưng các nhà khoa học hiện nay đang đặt câu hỏi liệu có nên làm điều đó hay không.
Kevin Esvelt là nhà sinh thái tiến hóa thuộc Viện Công nghệ Massachusetts. Nhà sinh thái tiến hóa chuyên nghiên cứu di truyền của những sinh vật sống cũng như những sinh vật đã thay đổi ra sao theo thời gian.
Ông Esvelt nói: “Bạn phải rất cẩn thận vì một số giải pháp ở nơi này có thể gây ra những sự cố tác hại ở những nơi khác trong hệ sinh thái”.
Ông Esvelt bàn bạc với những người dân New Zealand về một kế hoạch. Các nhà khoa học đang cân nhắc sử dụng một loại công cụ chỉnh sửa gien có tên là “ổ đĩa gien”. Nó có thể sao chép và dán chính nó vào bộ gien của một cơ thể.
Một khi “ổ đĩa gien” đã nằm trong bộ gien, nó có thể làm thay đổi gien của một số loài xâm lấn bằng cách làm cho những động vật này chết đi tại những vùng đất mà nó vốn không thuộc về.
Thoạt nghe có vẻ như là một điều phấn khởi khả thi. Trên thực tế, nhiều nhà khoa học cũng hy vọng như vậy. Tuy nhiên, họ có mối ưu tư riêng.
Giả sử nếu một ổ đĩa gien “bị rò rỉ”, nó có thể giết những sinh vật đã được nhắm trước thậm chí ở tại những nơi chúng thuộc về.
Tiến sĩ di truyền học phân tử Tina Saey đã nhiều lần thực hiện chỉnh sửa gien và chuyển đổi gien. Bà cho biết: “Các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra cách để giữ cho những ổ đĩa gien chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, không có mạng lưới an toàn nào tồn tại nếu những ổ đĩa gien được phóng thích vào thiên nhiên”.
Việc loại bỏ toàn bộ các sinh vật, ngay cả khi nó là một loại sâu bệnh, đã làm dấy lên những câu hỏi về việc liệu một động thái như vậy có phải là một hành động đúng đắn hay không. Bà nhấn mạnh: cho đến nay, các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách chỉ mới bắt đầu suy nghĩ về điều này.
CRISPR làm việc như thế nào?
Trong những năm gần đây, có một công cụ mới và rất phổ biến đã được sẵn sàng để kết hợp với các gien. Đó là công nghệ chỉnh sửa gien CRISPR/ Cas9. Cas9 là một enzyme, một loại kéo phân tử dùng để cắt giảm DNA.
Các nhà khoa học tiêm Cas9 vào một tế bào mà họ muốn thay đổi ADN. Nhưng Cas9 vốn “khiếm thị” và không biết phải cắt ở nơi nào. Nó cần một người bạn dẫn đường, giống như một chú chó, để biết được nơi cắt.
Trong trường hợp này, chú chó hướng dẫn là một mảnh nhỏ của một loại vật liệu di truyền, có tên là RNA. Chính RNA hướng dẫn cho Cas9 biết nơi để cắt.
RNA hướng dẫn rất cẩn thận. Chúng sẽ chỉ dẫn Cas9 đến một vị trí đặc biệt trong hệ gien. Nó tương tự như con chó hướng dẫn chủ nhân của nó tới một trạm tàu điện ngầm cụ thể và theo dõi chính xác. Cho dù có rất nhiều trạm tàu điện ngầm và nhiều tuyến đường, nhưng chỉ có một trạm là đúng địa điểm.
Một khi Cas9 và vật hướng dẫn của nó đã đến đúng mục tiêu, cái kéo sẽ cắt ADN. Cho đến lúc đó, có những sự việc có thể xảy ra. Có khả năng là tế bào có thể tự hàn gắn lại vết cắt. Đôi khi việc sửa chữa được thực hiện bằng cách dán chặt các đầu cuối lại với nhau.
Điều đó có thể phá vỡ gien. Đôi khi để sửa chữa một gien bị hỏng trước đó, người ta dùng một bản sao lành mạnh của gien như là một vật mẫu. Các nhà khoa học đã sử dụng bộ đôi enzyme RNA này để đột phá và điều chỉnh gien ở nhiều loại động vật.
Một khả năng khác là một mảnh ADN mà các nhà nghiên cứu đã tiêm vào tế bào (cùng với Cas9) có thể được dán vào phần cắt. Các nhà khoa học sử dụng phương pháp này để cài đặt gien vào các thực vật và động vật ở các vị trí chính xác.
Các ổ đĩa gien tiếp nhận hệ thống chỉnh sửa gien CRISPR một bước xa hơn. Ổ đĩa gien sử dụng một mảnh ADN thặng dư để dán vào vết cắt.
Mảnh DNA thặng dư đó chứa một mã để tạo nên hệ thống CRISPR lần nữa. Nó giống như một cái kéo kết hợp với chiếc máy sao chép có thể tạo nên những bản sao của chính nó.
Khi một động vật hoặc thực vật gặp những bạn tình có ổ đĩa gien, các trứng và tinh trùng của nó sẽ tạo nên protein kéo và RNA hướng dẫn. Khi trứng hoặc tinh trùng từ cơ thể với ổ đĩa gien ngừng tác dụng đối với một trứng hay tinh trùng từ một bộ phận không thay đổi, ổ đĩa gien sẽ làm việc.
Cas9 cắt ADN không thay đổi tại nơi mà RNA đã hướng dẫn cho thấy nó. Sau đó, tế bào sửa chữa lại chỗ cắt bằng cách đưa vào trong một bản sao của ổ đĩa gien. Đó là bước sao chép thặng dư tạo nên một ổ đĩa gien khác so với hệ thống chỉnh sửa gien CRISPR thông thường.
Điều gì tạo nên một ổ đĩa gien đặc biệt?
Thông thường một phụ huynh có 50/50 cơ hội truyền một loại gien bất kỳ nào đó cho con cái của họ. Nhưng những ổ đĩa gien sẽ tiếp quản bất kỳ phiên bản không thay đổi nào của gien mục tiêu.
Vì vậy, chúng có thể được truyền đi gần 100% thời gian. Đó là lý do tại sao chúng được gọi là các ổ đĩa gien bởi vì chúng phá vỡ giới hạn tốc độ di truyền là 50/50.
Các nhà khoa học đã sử dụng các ổ đĩa gien trong phòng thí nghiệm để thay đổi màu mắt ở ruồi giấm. Hai nhóm riêng biệt đã tạo ra những ổ đĩa gien CRISPR để ngăn chặn loài muỗi không truyền bệnh sốt rét nữa.
(Một nhóm các nhà nghiên cứu đã thay đổi những con muỗi không thể mang theo ký sinh trùng sốt rét. Nhóm khác đã biến đổi gien sao cho những con muỗi không thể sinh sản nữa).
Các ổ đĩa gien CRISPR có thể thiết lập một giai đoạn để thực hiện các quá trình chỉnh sửa gien trong hầu hết các thành viên của loài đã được chọn. Bằng cách nào?
Các nhà khoa học bổ sung thêm loại gien mới mà họ muốn thay đổi, chúng ta gọi chúng là gien “thuần hóa”, đối với những sinh vật được chọn làm mục tiêu. Sau đó, ổ đĩa gien CRISPR tạo ra sự thay đổi này bất cứ khi nào nó tìm thấy một phiên bản hoang dã của gien.
Ông Esvelt giải thích: khi các sinh vật “đã thuần hóa” được tạo giống với các loài hoang dã, ổ đĩa CRISPR sẽ “cắt bỏ phiên bản gốc và thay thế nó với bản đã chỉnh sửa”. Ông nói tiếp.
“Bây giờ trong thế hệ mới này, tất cả các con cháu bảo đảm sẽ thừa hưởng nó. Và cứ thế, cuối cùng thực tế cho thấy, mỗi người trong quần thể sẽ sinh ra với một gien thuần hóa mới đã được cài đặt vào”.
Chúng ta có quyền làm điều đó hay không?
Trong một quần thể nhỏ, sự thay đổi đó có thể chỉ kéo dài từ 12 đến 24 thế hệ. Đối với những động vật có tuổi thọ ngắn như loài chuột, có thể chỉ đến vài năm.
Nếu bất kỳ sinh vật nào có gien biến đổi chuyển chỗ ở đến nơi khác, chúng có thể chuyển gien đó sang một quần thể mới.
Chẳng hạn như Esvelt tiết lộ: “Những con chuột thực sự là những kẻ đi lậu vé (trên những con tàu). Hoặc do người ta di chuyển chúng. Chỉ cần một vài sinh vật thay đổi gien được giải phóng vào một quần thể mới, chúng sẽ nhanh chóng lây lan gien qua quần thể này”.
Todd Kuiken, nhà khoa học môi trường Đại học Bắc Carolina ở Raleigh, lo ngại những động vật mà con người muốn thay đổi không chịu ở yên một nơi. Chúng có xu hướng đi lang thang trong hệ sinh thái.
Chưa ai có câu trả lời rõ ràng về điều này. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là rốt cuộc công nghệ không được sử dụng. Thật vậy, ông Kuiken nhấn mạnh, nếu mọi người cứ chờ đợi quá lâu, có thể sẽ là quá muộn để cứu vãn những động vật đang bị đe dọa.
