Các nhà nghiên cứu đã khai thác một “ống tiêm” phân tử mà một số virus và vi khuẩn sử dụng để lây nhiễm cho vật chủ và đặt nó vào các protein có tiềm năng chữa bệnh vào các tế bào người được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.
Vi khuẩn Photorhabdus asymbiotica sử dụng các gai phân tử để đào lỗ trên các màng tế bào vật chủ. Nguồn: F. Zhang et al./Nature
“Đó là một việc đáng kinh ngạc”, Feng Jiang, một nhà vi sinh vật tại Viện nghiên cứu Sinh học các mầm bệnh của Viện Hàn lâm Khoa học y học ở Bắc Kinh, nhận xét. “Đó là một đột phá thực sự”.
Kỹ thuật này, xuất bản trên Nature vào ngày 29/3/2023, có thể đề xuất một cách mới để tạo ra các loại thuốc chứa protein, tuy nhiên vẫn cần kiểm tra kỹ trước khi sử dụng trên người 1. Khi được tối ưu, cách tiếp cận này có thể được sử dụng để phân phối các thành phần cần thiết cho công cụ chỉnh sửa hệ gene CRISPR–Cas9.
Khó phân phối
Các ứng dụng y học của CRISPR hiện đang bị giới hạn bởi thách thức khi đưa thêm các chất phản ứng vào – enzyme Cas9 cắt DNA và một đoạn ngắn RNA dẫn đường cho Cas9 đến một vùng cụ thể trong hệ gene – vào các tế bào. “Một trong những nút thắt chính của chỉnh sửa gene là phân phối”, đồng tác giả Feng Zhang, một nhà sinh học phân tử tại Viện MIT và Harvard ở Cambridge, Massachusetts, và một người sớm nghiên cứu về kỹ thuật CRISPR–Cas9 ở thuở bình minh của nó. Phần lớn các ca thử nghiệm lâm sàng để chỉnh sửa các hệ gene trong các tế bào gan, mắt, máu, bởi vì các phương pháp vận chuyện hiện tại phù hợp với những tế bào đó, ông nói. “Chúng tôi hiện không thể áp dụng kỹ thuật này với bệnh não hay bệnh về thận bởi vì chúng tôi không có các hệ thống vận chuyển đủ tốt”.
Trong khi Zhang và đồng nghiệp đã tìm kiếm nhiều cách chuyển các protein vào tế bào người, các nhà vi trùng học đang nghiên cứu về một nhóm vi khuẩn thông thường vẫn sử dụng các gai phân tử để đâm xuyên thành một lỗ trên màng của tế bào vật chủ. Vi khuẩn này sau đó vận chuyển các protein xuyên qua lỗ vào tế bào, khai thác các chức năng sinh lý của vật chủ theo ý của mình.
Năm ngoái, Jiang và cộng sự đã báo cáo là họ có thể thao tác hệ thống giống ống tiêm đó trong vi khuẩn phát quang sinh học Photorhabdus asymbiotica, tải các protein mà chúng chọn từ các loài động vật có vú, thực vật và nấm vào trong ống tiêm này. Thông thường, vi khuẩn này sống bên trong giun tròn và sử dụng ống tiêm của mình để vận chuyển độc chất vào trong các tế bào của côn trùng bị nhiễm giun tròn. Độcchất này đủ sức giết côn trùng và giun tròn ăn xác chúng. “Loài vi khuẩn này có thể được xem như một khẩu súng được thuê để giết côn trùng”, đồng tác giả Joseph Kreitz, một nhà sinh học phân tử tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge, nói.
Các dải chứa độc lực Photorhabdus (màu xanh lá cây) liên kết với các tế bào côn trùng (màu xanh lam). Nguồn: Joseph Kreitz/Broad Institute, McGovern Institute
Trong phòng thí nghiệm của Zhang, Kreitz và cộng sự nghiên cứu cách điều chỉnh ống tiêm phân tử P. asymbiotica để ghi nhận được các tế bào người. Họ tập trung vào một vùng của ống tiêm được gọi là sợi đuôi, vốn gắn kết một cách thông thường với một protein tìm thấy trên các tế bào côn trùng. Sử dụng chương trình AI AlphaFold, vốn có thể dự đoán các cấu trúc protein, nhóm nghiên cứu thiết lập các cách biến đổi sợi đuôi để nó có thể fhi nhận tế bào người. “Một khi chúng tôi có được hình ảnh, sẽ dễ dàng biến đổi nó theo cách phù hợp với nhu cầu sử dụng của chúng tôi”, Kreitz nói. “Đó là khoảnh khắc tất cả cùng ập đến một lúc”.
Sau đó họ tải “ống tiêm” này nhiều loại protein, bao gồm cả Cas9 và các độc chất có thể giết chết được tế bào ung thư, và chuyển chúng vào tế bào người được nuôi trong phòng thí nghiệm và nào trong não chuột.
Hệ thống linh hoạt
Hệ thống này không thể vận chuyển hướng dẫn mRNA cần thiết cho chỉnh sửa hệ gene CRISPR–Cas9 nhưng nhóm nghiên cứu đang phát triển các cách làm điều đó, Kreitz nói. Sự thật là hệ thống có thể chuyên chở được Cas9 vào các tế bào rất linh hoạt, ông cho biết thêm, vì protein Cas9 lớn hơn “ống tiêm”.
Câu chuyện về “ống tiêm” gợi lại cách các nhà nghiên cứu như Zhang phát triển CRISPR–Cas9 – một hệ thống nhiều vi sinh vật dựa vào tự nhiên để phòng vệ lại các viruse và các mầm bệnh khác – để sử dụng như một kỹ thuật chỉnh sửa gene, theo Asaf Levy, một nhà vi sinh vật tính toán tại ĐH Hebrew Jerusalem. Tương tự với những ngày đầu nghiên cứu CRISPR–Cas9, các ống tiêm vi khuẩn đã được nghiên cứu trong nhiều phòng thí nghiệm nhưng những vai trò của chúng trong hệ sinh thái vi khuẩn mới chỉ bắt đầu được hiểu.
Nhưng rõ ràng là chúng có khả năng vận chuyển thuốc, Levy nói. “Sự tiến hóa của điều này hoàn toàn đáng kinh ngạc. Sự thật là việc có thể thiết kế được cả lưu lượng tải và độ đặc hiệu là điều vô cùng lý thú”.
