Chỉnh sửa thành công gen của vi khuẩn đường ruột ở chuột sống

Nhóm nghiên cứu dân đầu bởi Xavier Duportet, nhà sinh học tổng hợp, đồng sáng lập công ty công nghệ sinh học Eligo Bioscience, đã thiết kế thành công một công cụ chỉnh sửa gen có thể sửa đổi quần thể vi khuẩn trong hệ vi sinh vật đường ruột của chuột sống.

Kết quả thí nghiệm ban đầu cho thấy công cụ này đã giúp sửa đổi gen mục tiêu ở hơn 90% khuẩn lạc Escherichia coli bên trong đường ruột của những con chuột đang sống. Escherichia coli là một loại vi khuẩn thường sống trong ruột của người và động vật. Hầu hết các loại vi khuẩn E. coli được biết đến với tác hại là nguyên nhân gây ra tiêu chảy tạm thời và thoáng qua, hay một số những nhiễm trùng nặng đường ruột dẫn đến bệnh cảnh nặng hơn với tiêu chảy, đau bụng và sốt.

Một số công trình nghiên cứu trước đây đã sử dụng hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR—Cas ​​để tiêu diệt vi khuẩn có hại trong ruột chuột. Nhưng Duportet và các đồng nghiệp chỉ muốn chỉnh sửa gen của vi khuẩn trong hệ vi sinh vật đường ruột mà không giết chết chúng.

Để làm được điều này, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp hoán đổi một cơ sở nucleotide này với một cơ sở nucleotide khác - chẳng hạn như chuyển đổi A thành G - mà không phá vỡ chuỗi kép DNA. Cho đến nay, hầu hết các phương pháp hiện có đều không thể sửa đổi đủ quần thể vi khuẩn mục tiêu để có hiệu quả. Điều này là do các vectơ được truyền vào chỉ nhắm tới những thụ thể mục tiêu thường thấy ở vi khuẩn nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.

Để giải quyết trở ngại này, Duportet và các cộng sự đã chế tạo một phương tiện vận chuyển sử dụng các thành phần của thể thực khuẩn - một loại vi rút lây nhiễm vi khuẩn - để chứa một số thụ thể E. coli biểu hiện trong môi trường ruột. Vectơ này mang theo một “công cụ chỉnh sửa gene ở mức cơ bản” nhắm vào các gen E. coli cụ thể. Nhóm nghiên cứu cũng đã cải tiến hệ thống để ngăn chặn vật liệu di truyền mà được cung cấp sao chép và lây lan khi nó ở bên trong vi khuẩn.

Nhóm nghiên cứu đã đưa công cụ chỉnh sửa gen cơ bản vào chuột và sử dụng nó để thay đổi A thành G trong gen E. coli tạo ra β-lactamase - enzyme thúc đẩy vi khuẩn kháng một số loại kháng sinh. Khoảng 8 giờ sau khi các con vật được điều trị, khoảng 93% vi khuẩn mục tiêu đã được chỉnh sửa gen.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã điều công cụ chỉnh sửa để nó có thể sửa đổi gen E. coli tạo ra một loại protein được cho là có vai trò trong một số bệnh thoái hóa thần kinh và tự miễn dịch. Tỷ lệ vi khuẩn được chỉnh sửa dao động khoảng 70% trong vòng ba tuần sau khi chuột được điều trị. Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học cũng có thể sử dụng công cụ này để chỉnh sửa các chủng E. coli và Klebsiella pneumoniae có thể gây nhiễm trùng viêm phổi. Điều này cho thấy hệ thống chỉnh sửa có thể được điều chỉnh để nhắm mục tiêu vào các chủng và loài vi khuẩn khác nhau.

Thành tựu này thể hiện một “bước nhảy vọt quan trọng” trong việc phát triển các công cụ có thể biến đổi vi khuẩn trực tiếp bên trong đường ruột, mở ra khả năng chống lại bệnh tật, đồng thời ngăn chặn DNA có hại lây lan.

Bước tiếp theo của Duportet và các đồng nghiệp là phát triển mô hình chuột mắc các bệnh do hệ vi sinh vật gây ra để đo lường xem liệu chỉnh sửa gen cụ thể có tác động có lợi đến sức khỏe của chúng hay không.