Một cuộc điều tra tìm kiếm rộng lớn về sự đa dạng tự nhiên đã dẫn dắt các nhà khoa học tại Viện McGovern của MIT và Viện Broad của MIT và Harvard khám phá ra các hệ thống cổ xưa, có tiềm năng phát triển mở rộng thêm các công cụ chỉnh sửa bộ gen. Hệ thống này, được các nhà nghiên cứu gọi là hệ thống TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), sử dụng ARN dẫn đường để xác định và chỉ hướng các enzym đến được các vị trí cụ thể trên ADN, từ đó can thiệp và thay đổi các chuỗi gen theo mục đích nhất định.

Các hệ thống TIGR có thể được lập trình lại để nhắm mục tiêu vào bất kỳ trình tự ADN nào được quan tâm, với các mô-đun chức năng riêng biệt có thể tác động lên ADN mục tiêu. Ngoài đặc điểm nổi bật của TIGR là tính mô-đun, cho phép các nhà khoa học điều chỉnh dễ dàng để thực hiện các chức năng khác nhau, từ đó tạo ra các ứng dụng đa dạng trong nghiên cứu và điều tri, một ưu điểm lớn khác của hệ thống TIGR là kích thước nhỏ gọn so với các hệ thống hướng dẫn ARN khác như CRISPR. Kích thước nhỏ gọn này tạo ra các lợi thế hơn trong điều trị so với CRISPR. Việc sử dụng TIGR có thể giúp giảm thiểu các thách thức liên quan đến việc vận chuyển và đưa các phân tử lớn vào cơ thể. Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Science.

"Đây là một hệ thống linh hoạt được hướng dẫn bởi RNA với nhiều chức năng đa dạng", Feng Zhang, giáo sư khoa học thần kinh James và Patricia Poitras tại MIT, người đứng đầu nghiên cứu, chia sẻ. Các protein liên kết TIGR (Tas) mà nhóm của Zhang phát hiện có chung một thành phần đặc trưng, giúp liên kết ARN và điều hướng nó đến một vị trí cụ thể trong bộ gen.

Một số protein này có khả năng cắt ADN tại vị trí được chỉ định, nhờ vào một đoạn cắt ADN liền kề trong cấu trúc protein. Tính mô-đun này mở ra cơ hội phát triển các công cụ mới, cho phép các nhà khoa học hoán đổi hoặc bổ sung các tính năng có ích vào các protein Tas tự nhiên.

Nhóm nghiên cứu của Zhang trước đây đã cải tiến các hệ thống CRISPR từ vi khuẩn thành công cụ chỉnh sửa gen mạnh mẽ, đóng góp vào việc phát triển của sinh học biến đổi hiện đại. Nhóm của ông cũng phát hiện ra nhiều loại protein có thể lập trình, không chỉ từ các hệ thống CRISPR mà còn từ những nguồn khác.

Trong công trình nghiên cứu mới này của nhóm khoa học, để tìm ra các hệ thống có thể lập trình mới, họ đã bắt đầu từ việc nghiên cứu một đặc điểm cấu trúc quan trọng của protein CRISPR Cas9. Đặc điểm này liên quan đến cách Cas9 liên kết với hướng dẫn ARN của enzyme, yếu tố then chốt giúp CRISPR Cas9 trở thành công cụ mạnh mẽ trong chỉnh sửa gen.

Zhang giải thích: 'Việc lập trình lại trở nên dễ dàng hơn nhờ vào sự hướng dẫn của ARN, vì chúng tôi hiểu cách ARN liên kết với ADN hoặc ARN khác. Nhóm của ông đã khảo sát hàng trăm triệu protein sinh học, cả những protein đã biết cấu trúc lẫn những protein dự đoán, để tìm ra các protein có cấu trúc tương tự. Để tìm kiếm các mối quan hệ xa hơn giữa các protein, họ đã áp dụng quy trình lặp lại: bắt đầu từ Cas9, nhóm đã phát hiện ra protein IS110, trước đây đã được nghiên cứu chứng minh có khả năng liên kết với ARN. Họ tiếp tục nghiên cứu các đặc điểm cấu trúc của IS110 cho phép nó liên kết với ARN, sau đó lặp lại quá trình tìm kiếm này”.

Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu sử dụng trí tuệ nhân tạo để xử lý danh sách các protein này, giúp họ nhanh chóng phân tích và phân loại các protein, từ đó xác định mối quan hệ của chúng. Với mô hình ngôn ngữ protein lớn, nhóm nghiên cứu đã có thể phân nhóm các protein mà họ phát hiện thành các nhóm dựa trên mối quan hệ tiến hóa có thể có giữa chúng. Một trong những nhóm này tách biệt rõ rệt với các nhóm còn lại và các thành viên của nhóm này đặc biệt đáng chú ý, vì chúng được mã hóa bởi các gen có trình tự lặp lại một cách đều đặn, giống như một thành phần thiết yếu trong hệ thống CRISPR. Hệ thống này được gọi là TIGR-Tas.

Nhóm nghiên cứu của Zhang đã phát hiện hơn 20.000 protein Tas, chủ yếu xuất hiện trong các vi-rút lây nhiễm vi khuẩn. Các trình tự trong vùng lặp lại của mỗi gen, được gọi là mảng TIGR, mã hóa một hướng dẫn ARN có khả năng tương tác với phần liên kết ARN của protein. Ở một số gen, vùng liên kết ARN nằm gần khu vực cắt ADN của protein. Những gen khác có vẻ liên kết với các protein khác, điều này gợi ý rằng chúng có thể định hướng các protein đó đến các mục tiêu  trên ADN cụ thể.

Zhang và nhóm của ông đã thử nghiệm với hàng chục protein Tas, chứng minh rằng một số có thể được lập trình để thực hiện các vết cắt có mục tiêu vào ADN. Khi họ nghĩ về việc phát triển các hệ thống TIGR-Tas thành các công cụ có thể lập trình, các nhà nghiên cứu nhận thấy các tính năng có thể làm cho các công cụ trở nên linh hoạt và chính xác hơn.

Nhóm nghiên cứu cảnh báo, hệ thống CRISPR chỉ có thể tác động vào những vùng ADN có hiện diện PAM (họa tiết liền kề protospace) để nhận diện và cắt ADN mục tiêu. Trong khi đó, các protein TIGR Tas không yêu cầu PAM.

Về mặt lý thuyết, điều này có nghĩa là bất kỳ vị trí nào trong bộ gen đều có thể nhắm mục tiêu được", Rhiannon Macrae, cố vấn khoa học cho biết. Các thí nghiệm của nhóm cũng chỉ ra rằng các hệ thống TIGR có đặc điểm của một "hệ thống hướng dẫn kép", theo cách mà Faure mô tả, chúng tương tác với cả hai sợi trong chuỗi xoắn kép của ADN để tập trung vào các trình tự mục tiêu. Điều này đảm bảo rằng chúng chỉ hoạt động ở những vị trí được xác định bởi ARNcủa chúng. Bên cạnh đó, các protein Tas rất nhỏ, chỉ khoảng 1/4 kích thước của Cas9, giúp chúng dễ dàng phân phối. Điều này có thể vượt qua một trong những rào cản lớn đối với việc áp dụng công nghệ chỉnh sửa gen trong điều trị.

Phấn khích trước những phát hiện mới, nhóm nghiên cứu của Zhang hiện đang nghiên cứu vai trò tự nhiên của các hệ thống TIGR trong vi-rút cũng như cách chúng có thể được điều chỉnh chúng để phục vụ cho các nghiên cứu và điều trị. Họ đã xác định được cấu trúc phân tử của một trong những protein Tas mà nhóm phát hiện có tác dụng trong tế bào người, và sẽ sử dụng thông tin này để cải thiện hiệu quả của protein này. Bên cạnh đó, nhóm cũng chú ý đến mối liên kết giữa các hệ thống TIGR-Tas và một số protein xử lý RNA trong tế bào người, mở ra những hướng nghiên cứu mới đầy hứa hẹn.

Zhang cho biết: "Tôi nghĩ rằng vẫn còn nhiều điều cần nghiên cứu về những mối quan hệ đó và điều đó có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách những hệ thống này được sử dụng ở người".

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/, 6/2025