CRISPR/Cas - Công nghệ đột phá của ngành sinh học

CRISPR/Cas

Công nghệ chỉnh sửa hệ gen CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) là kỹ thuật tiên tiến trong ngành sinh học phân tử, với khả năng đáp ứng và dễ sử dụng trong phòng thí nghiệm, CRISPR có tiềm năng tạo ra cuộc cách mạng trong y học, nông nghiệp và khoa học cơ bản. CRISPR là kết quả quá trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới, các cột mốc quá trình khám phá này được thể hiện trong BĐ1.

BĐ1: Quá trình khám phá CRISPR

Nguồn: TS. Phạm Xuân Hội, Công nghệ chỉnh sửa hệ gen:Thành tựu & triển vọng

Năm 1987, giáo sư Yoshizumi Ishino và các cộng sự tại Đại học Osaka, Nhật Bản nghiên cứu vi khuẩn E. Coli, họ nhận thấy những chuỗi lặp lại trong ADN của vi khuẩn, đồng thời phát hiện các "khoảng trắng" (spacer) trên chuỗi DNA và mỗi "khoảng trắng" đều có trình tự duy nhất và "Vai trò sinh học của những khoảng trắng này vẫn chưa được biết tới".

Năm 2000, nhóm nghiên cứu của Francisco Martínez Mojica, Đại học Alicante, Tây Ban Nha, phát hiện các chuỗi lặp đi lặp lại và có tính nghịch đảo (khi đảo ngược thứ tự các ký tự của chuỗi thì sẽ có lại chuỗi ban đầu) ở nhiều sinh vật nhân xơ và họ gọi là CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).

Năm 2002, Ruud Jansen và các cộng sự tại Học viện Utrecht (Universiteit Utrecht), Hà Lan nhận thấy chuỗi CRISPR luôn đi kèm với một số bộ gen phân bố ở vị trí gần đó. Họ gọi những gen này là Cas, là những gen có liên qua tới CRISPR và có khả năng mã hóa enzymes cắt DNA. Tuy nhiên, họ vẫn chưa biết được tại sao chúng lại làm như vậy và tại sao chúng lại luôn đi cùng với CRISPR.

Năm 2007, nhà khoa học người Nga, Eugene Viktorovich Koonin là thành viên của NCBI (National Center for Biotechnology Information), NIH (National Institutes of Health) và NAS (National Academy of Sciences) cùng các cộng sự đã nghiên cứu về trình tự CRISPR, và kết luận rằng vi khuẩn đã sử dụng CRISPR làm vũ khí chống lại virus và CRISPR-Cas là một hệ thống phòng thủ di truyền.

Năm 2011, hai nhóm nghiên cứu độc lập của TS. Jennifer Doudna, Đại học California, Berkeley và TS. Emmanuelle Charpentier, Đại học Umea  (Umeå University), Thụy Điển cùng khám phá ra cơ chế hoạt động của enzyme Cas và CRISPR hứa hẹn có thể được dùng để tùy chỉnh bộ mã di truyền DNA một cách chính xác mở ra thời đại mới của ngành công nghệ sinh học. 

Tháng 1/2013, Doudna và  Charpentier đã đạt một bước tiến vĩ đại: cắt một mẩu DNA từ tế bào người và thay thế nó bằng một đoạn mã di truyền khác. Cùng lúc, một nhóm các nhà nghiên cứu khác đến từ Đại học Harvard và Viện Broad cũng đã độc lập tuyên bố đã phát triển thành công phương pháp tương tự. Đặc điểm chủ yếu của hệ thống CRISPR/Cas là: (1) tạo ra điểm đứt gãy sợi kép trên DNA và (2) điểm đứt gãy này được định vị một cách chính xác nhờ đoạn crRNA định hướng. Các nhà khoa học đã ví CRISPR/Cas là “chiếc kéo phân tử” có khả năng cắt bỏ các đoạn gen không mong muốn và thay bằng đoạn gen mới theo yêu cầu.

Năm 2015, tạp chí Science bầu chọn CRISPR/Cas9 (Cas9: protein 9 phổ biến, có nguồn gốc từ vi khuẩn Streptococcus Pyogenes), là công nghệ quan trọng nhất, khởi đầu kỷ nguyên mới của công nghệ sinh học, giúp chỉnh sửa thông tin di truyền của mọi tế bào một cách nhanh chóng và chính xác. Hệ thống CRISPR/Cas9 cơ bản có hai phần chính: (1) Enzyme endonuclease Cas9 thực hiện cắt DNA mục tiêu; (2) Phân tử RNA dẫn đường (gRNA) có vai trò nhận diện DNA mục tiêu chứa trình tự bổ sung. Ngoài ra, trên gRNA cần có trình tự PAM (Protospacer-Adjacent Motif) ngay phía sau trình tự mục tiêu thì sự cắt mới xảy ra (H1).

H1: Cơ chế hoạt động của CRISPR/Cas9 trong trường hợp gây biến đổi trình tự gen

Nguồn: Nguyễn Gia Khuê, Nguyễn Thế Kha; CRISPR/Cas9 – Bước đột phá của kỹ thuật thao tác trên DNA bộ gen.

CRISPR được cho là thành tựu vĩ đại nhất trong ngành sinh học phân tử của thế kỷ 21, điều này sẽ thay đổi diện mạo của nền y học và nông nghiệp của loài người trong tương lai. CRISPR đã thu hút sự quan tâm rất lớn của giới nghiên cứu khoa học, kể từ năm 2011 đến nay, số lượng các tài liệu khoa học liên quan đến CRISPR tăng rất nhanh, được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1: Phát triển số lượng tài liệu liên quan đến CRISPR được công bố

Nguồn: crsreports.congress.gov, Advanced Gene Editing: CRISPR/Cas9 (CRS phân tích dựa trên cơ sở dữ liệu thư mục các bài báo khoa học Scopus thuộc sở hữu của Nhà xuất bản Elsevier). 

Xu hướng phát triển CRISPR/Cas qua thông tin sáng chế

Công ty Relecura Inc., đơn vị chuyên tư vấn và cung cấp các dịch vụ liên quan đến tài sản trí tuệ (IP- Interlellectual Property) đã phân tích  xu hướng công nghệ CRISPR qua thông tin sáng chế giai đoạn 1989-2017. Theo đó, có 2.635 đơn đăng ký sáng chế liên quan đến CRISPR và 118 sáng chế được cấp bằng. Số lượng đơn đăng ký sáng chế bắt đầu tăng mạnh kể từ  năm 2013 và vẫn đang trong xu thế  phát triển (BĐ2).

BĐ2: Phát triển số lượng đơn sáng chế liên quan đến CRISPR

Nguồn: CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats): IP Landscape Report, Relecura Inc.

Công nghệ chỉnh sửa hệ gen CRISPR ngày càng trở nên phổ biến với nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y tế, dược phẩm, nông nghiệp,…như chữa bệnh ung thư bằng cách loại bỏ các phần của bộ gen chịu trách nhiệm trực tiếp đối với sự phát triển của khối u, tiêu diệt muỗi mang virus Zika gây các bệnh sốt vàng da, điều trị mù lòa, tiêu diệt HIV, chữa các bệnh do di truyền đến việc chỉnh sửa các bộ gen của phôi thai người; điều chế các loại thuốc tốt hơn; cải thiện các thuộc tính cây nông nghiệp hay động vật trong chăn nuôi,…

Triển vọng ứng dụng CRISPR trong y khoa và nông nghiệp thể hiện rõ qua số lượng đơn sáng chế. Cụ thể, sử dụng CRISPR trong các chế phẩm y tế: 880 sáng chế; tạo các giống cây trồng mới: 277 sáng chế và trong chăn nuôi: 238 sáng chế; nền tảng của công nghệ CRISPR được quan tâm đặc biệt khi có đến 2.223 sáng chế về vi sinh vật hoặc enzyme liên quan đến công nghệ này (BĐ3).

BĐ3: Phát triển sáng chế về CRISPR theo lĩnh vực

Nguồn: CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats): IP Landscape Report, Relecura Inc.

Các đơn vị dẫn đầu số lượng đơn đăng ký sáng chế liên quan đến CRISRP là Viện Công nghệ Massachusetts (MIT - Massachusetts Institutes of Technology): 122 sáng chế, Đại học Harvard: 116 sáng chế, Broad INST INC: 89 sáng chế; Viện Y tế Mỹ (NIH - US Institutes of  Health): 79 sáng chế (Bảng 2).

Bảng 2: Các đơn vị dẫn đầu đăng ký sáng chế liên quan đến CRISPR

Nguồn: CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats): IP Landscape Report, Relecura Inc.

Chiếm vị trí số một về số lượng đơn đăng ký sáng chế liên quan đến CRISPR theo lĩnh vực công nghệ là các đơn vị: Đại học Harvard về vi sinh vật hay enzyme, chế phẩm y tế; Viện Y tế Mỹ (NIH - US Institutes of Health) về peptides, đo/kiểm nghiệm enzymes hay vi sinh vật; Đại học California (University of California) về kiểm nghiệm vật liệu; Dupont về giống cây trồng mới (Bảng 3).

Bảng 3: Các đơn dẫn đầu đăng ký sáng chế liên quan đến CRISPR theo lĩnh vực

Nguồn: CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats): IP Landscape Report, Relecura Inc.

Nộp đơn đăng ký bảo hộ sáng chế liên quan đến CRISPR ở các nước cho thấy sự quan tâm của các đơn vị đối với những thị trường này. Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc, Canada và khu vực EU là những thị trường tiềm năng ứng dụng CRISPR. Lựa chọn quốc gia để  đăng ký sáng chế của các đơn vị dẫn đầu về CRISPR được thể hiện trong BĐ4.   

BĐ4: Số lượng sáng chế về CRISPR được các đơn vị nộp đơn ở một số nước

Ghi chú: US: Mỹ, WO: Tổ chức Sở hữu trí tuệ thế giới, CN: Trung Quốc, JP: Nhật, EP: Cơ quan Sáng chế châu Âu,  AU: Úc, CA: Canada, KR: Hàn Quốc, IN: Ấn Độ, GB: Vương Quốc Anh.

Nguồn: CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats): IP Landscape Report, Relecura Inc.

Thị trường công nghệ CRISPR

Dù mới xuất hiện gần đây, nhưng thị trường công nghệ chỉnh sửa hệ gen CRIRPS được nhiều doanh nghiệp quan tâm. Thị trường toàn cầu của công nghệ CRISPR/Cas9 được ước đoán năm 2017 là 1,22 tỉ USD và dự báo đến năm 2025 đạt 5,3 tỉ USD với tỉ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 20,19% (Nguồn: https://www.aheadintel.com/crispr-cas9-genome-editing-market/CRISPR Cas9 Genome editing market and Patent Landscape Report), các công ty chiếm ưu thế trong lĩnh vực này được thể hiện trong (H2).

H2: Các công ty hàng đầu với công nghệ CRISPR

Nguồn: Raphael Ferreira, Florian David, Jens Nielsen; Advancing biotechnology with CRISPR/Cas9: recent applications and patent landscape;  Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology (2018) 45:467–480.

Trong những năm vừa qua, thị trường cấp phép sử dụng công nghệ liên quan đến  CRISPR cũng trở nên sôi động, (H3) thể hiện hoạt động cấp phép của các đơn vị Broad Institute, Caribou Biosciences, CRISPR Therapeutics và ers Genomics.

H3: Hoạt động cấp phép liên quan đến CRISPR

Ghi chú: nét kẻ liền: cấp phép không độc quyền, nét kẻ đứt: cấp phép độc quyền.

Nguồn: Raphael Ferreira, Florian David, Jens Nielsen; Advancing biotechnology with CRISPR/Cas9: recent applications and patent landscape;  Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology (2018) 45:467–480.

Nhiều công ty khởi nghiệp từ công nghệ CRISPR xuất hiện và thu hút sự quan tâm của các nhà đầu tư. Ứng dụng CRISPR để điều trị bệnh thu hút vốn đầu tư nhiều nhất, điển hình là các công ty Editas Medicine,  CRISPR Therapeutics, và Intellia Therapeutics (BĐ5), ba đơn vị này đều lần đầu phát hành cổ phiếu ra công chúng (IPO- Initial Public Offering) vào năm 2016. Năm 2018, các công ty khởi nghiệp với công nghệ CRISPR tiếp tục được các nhà đầu tư rót vốn,  Bảng 4 giới thiệu Top 10 công ty khởi nghiệp tiềm năng trong năm vừa qua.

BĐ5: Ba công ty khởi nghiệp trong lĩnh vực CRISPR thu hút nhiều vốn đầu tư

Nguồn: cbinsights.com. What is CRISPR?

Bảng 4: 10 startup tiềm năng, năm 2018

Nguồn: explorebiotech.com/10-crispr-startups-to-watch-2018

Anh Trung (CESTI)