Vi khuẩn biến đổi gene phát hiện ung thư?

Nhờ tiến bộ y học, chúng ta ngày càng có thể phát hiện được nhiều căn bệnh, phòng tránh và chữa trị bằng tế bào thay vì bằng dùng thuốc. Phân ngành này có tên là liệu pháp tế bào. Liệu pháp này đã được sử dụng trong thực hành lâm sàng ở một số trường hợp. Ví dụ, bệnh nhân nhận cấy ghép vi sinh trong phân (“ghép phân”) khi nhiễm khuẩn dạ dày nặng, hoặc cấy tủy để chữa ung thư máu.

Khi dùng sinh học tổng hợp, các nhà khoa học còn có thể tạo ra những tế bào cải tiến mới, để kiểm soát các loại bệnh khác nhau. Gần đây, các nhà khoa học Mỹ và Úc đã thành công trong việc chế ra vi khuẩn phát hiện tế bào ung thư. Kết quả này đã được nhóm nghiên cứu đăng trên tạp chí Science.

Tận dụng vi khuẩn khả biến

Các nhà khoa học cho biết dự án này khởi đầu với bài thuyết trình từ nhà sinh học tổng hợp Rob Cooper, trong cuộc họp phòng thí nghiệm hằng tuần của người đồng nghiệp là nhà khoa học Jeff Hasty ở Đại học California San Diego.Ông Cooper lúc đó đang nghiên cứu gene và chuyển gene ở vi khuẩn.

Gene là đơn vị căn bản của di truyền gene. Đó là thứ khiến bạn có nụ cười của mẹ và màu mắt của cha.

Chuyển gene (hay di truyền gene) là quá trình chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác. Gene cũng có thể được chuyển hàng dọc, khi một tế bào nhân đôi ADN và phân chia thành hai tế bào riêng biệt. Đây là điều diễn ra trong quá trình sinh sản, khiến con cái nhận được ADN từ cha mẹ. Nhưng gene cũng có thể được chuyển hàng ngang, khi ADN được chuyển giữa những tế bào không có quan hệ với nhau, nằm ngoài quá trình di truyền từ cha mẹ tới con cái.

Chuyển gene ngang diễn ra khá thường xuyên trong thế giới vi sinh. Một số loại vi khuẩn có thể thu nhặt gene từ ADN tự do trong môi trường, nằm ngoài tế bào. Khi tế bào chết đi thì sẽ giải phóng loại ADN tự do này ra ngoài. Hiện tượng vi khuẩn thu lấy ADN tự do vào tế bào của mình gọi là sự biến nạp tự nhiên. Nhờ thế, vi khuẩn khả biến có thể lấy mẫu từ môi trường xung quanh và nhận được những gene có lợi cho chúng.

Sau bài nói chuyện của nhà sinh học Cooper, các nhà khoa học đã có một số suy đoán táo bạo: Vì vi khuẩn có thể lượm nhặt ADN, mà về mặt di truyền ung thư được định nghĩa là sự thay đổi trong ADN của nó, vậy thì về lý thuyết, chúng ta có thể biến đổi vi khuẩn để phát hiện ra căn bệnh này.

Bắt đầu tiến hành nghiên cứu

Nghĩ là làm, các nhà khoa học liền bắt tay vào thử nghiệm. Họ chọn ung thư trực tràng để kiểm tra giả định này, vì ruột không chỉ chứa đầy vi sinh vật mà còn có nhiều ADN của khối u khi bị ung thư. Và trong thí nghiệm này, một loại vi khuẩn khả biến tự nhiên là Acinetobacter baylyi được chọn làm tế bào phát hiện bệnh, hay còn gọi là cảm biến sinh học.

Nhóm nghiên cứu đã sửa đổi bộ gene của A. baylyi để chứa các trình tự ADN dài nhằm “bắt chước” ADN tồn tại trong một gene ung thư người mà các nhà nghiên cứu muốn phát hiện. Những chuỗi ADN bổ sung này hoạt động như bãi đáp dính - để khi vi khuẩn bắt được một ADN ung thư thì nhiều khả năng ADN này sẽ hợp nhất vào bộ gene của vi khuẩn.

Việc hợp nhất này là quan trọng. Vì khi cố định được ADN ung thư, các nhà khoa học có thể kích hoạt các gene hợp nhất khác, trong trường hợp này là một gene kháng kháng sinh, làm dấu hiệu cho việc phát hiện ung thư.

Dấu hiệu này sẽ hoạt động như sau: nếu vi khuẩn có thể phát triển trong môi trường nuôi cấy chứa nhiều kháng sinh, thì gene kháng kháng sinh của chúng đang hoạt động, tức là chúng đã phát hiện ra ung thư.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành một loạt thí nghiệm để kết hợp cảm biến sinh học vi khuẩn mới và tế bào ung thư trong những hệ thống ngày càng phức tạp.

Ban đầu, họ chỉ ngâm cảm biến sinh học này với ADN ung thư tinh chế. Tức là các nhà khoa học cho cảm biến sinh học tiếp xúc với chính ADN mà nó được làm ra để phát hiện –và điều này có hiệu quả. Tiếp theo, họ phát triển cảm biến sinh học cùng với tế bào ung thư sống. Kết quả là nó lại phát hiện được ADN ung thư.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đưa cảm biến sinh học vào những con chuột thuộc nhóm có ung thư và không có ung thư. Họ khiến chuột bị ung thư bằng cách đưa tế bào ung thư đại trực tràng của chuột vào đại tràng bằng phương pháp nội soi.

Qua vài tuần, những con chuột này sẽ hình thành các khối u, còn những con chuột không tiêm nhiễm ung thư sẽ là nhóm khỏe mạnh để so sánh. Cảm biến sinh học mà nhóm nghiên cứu phát triển đã phân biệt chính xác con chuột nào phát triển bệnh ung thư và con nào là bình thường.

Khởi đầu hứa hẹn

Sau những kết quả đáng khích lệ kể trên, các nhà khoa học đã chỉnh sửa vi khuẩn thêm hoàn thiện. Tới thời điểm này, cảm biến sinh học này có thể phân biệt các thay đổi ở cặp bazơ đơn trong ADN ung thư, giúp tinh chỉnh mức độ chính xác mà nó có thể phát hiện và nhắm vào các gene. Nhóm nghiên cứu đặt tên cho công nghệ mới này là CATCH, viết tắt cho “xét nghiệm tế bào phát hiện chuyển gene ngang định sẵn bằng CRISPR”.

Công nghệ CATCH vô cùng có tiềm năng. Vì công nghệ này sử dụng ADN tự do làm đầu vào mới cho các chu trình sinh học tổng hợp, cho nên ta có thể dùng nó để phát hiện ra nhiều loại bệnh khác nhau, đặc biệt là các bệnh nhiễm trùng và ung thư.

Tuy nhiên, công nghệ này chưa sẵn sàng để sử dụng trong lâm sàng. Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục cải thiện để tăng hiệu quả phát hiện ADN, đánh giá lâm sàng về hiệu suất của cảm biến sinh học này so với các xét nghiệm chẩn đoán khác, cũng như đảm bảo sự an toàn cho bệnh nhân và môi trường.

Công dụng thú vị nhất của công nghệ chăm sóc sức khỏe tế bào không chỉ là phát hiện ra bệnh. Các nhà khoa học có thể lập trình cảm biến sinh học sao cho một dấu hiệu bệnh có thể kích hoạt một liệu pháp sinh học cụ thể, trực tiếp ngay tại điểm phát hiện ra bệnh, trong trường hợp này là một chuỗi ADN tự do nhất định.