Nhà khoa học Doudna. Nguồn: NYT.

Khi Doudna trở lại Berkeley, bà và Jinek bắt đầu một loạt cuộc gọi qua Skype với Charpentier ở Umeå và Chylinski ở Vienna để vạch ra chiến lược tìm ra cơ chế của CRISPR-Cas9. Sự hợp tác giống như một mô hình Liên hợp quốc: một giáo sư chuyên môn Berkeley đến từ Hawaii, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của bà đến từ Cộng hòa Séc, một giáo sư người Paris làm việc ở Thụy Điển và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ gốc Ba Lan của bà làm việc ở Vienna.

“Nó trở thành một chiến dịch kéo dài 24 giờ”, Jinek nhớ lại. “Tôi thường làm một thí nghiệm vào cuối ngày, tôi sẽ gửi một email tới Vienna, và Krzysztof sẽ đọc nó ngay khi thức dậy vào buổi sáng”. Sau đó, sẽ có một cuộc gọi Skype và họ sẽ quyết định bước tiếp theo là gì.

“Krzysztof sẽ thực hiện thí nghiệm đó vào ban ngày và gửi cho tôi kết quả khi tôi đang ngủ, để khi tôi thức dậy và mở hộp thư đến của mình thì sẽ có một bản cập nhật”.

Lúc đầu, Charpentier và Doudna chỉ tham gia các cuộc gọi Skype một hoặc hai lần mỗi tháng. Nhưng tốc độ đã tăng lên vào tháng 7 năm 2011, khi Charpentier và Chylinski bay tới Berkeley để dự hội nghị CRISPR hàng năm ngày một lớn mạnh. Mặc dù họ đã gắn bó với nhau qua Skype, nhưng đây là lần đầu tiên Jinek trực tiếp gặp Chylinski, một nhà nghiên cứu cao lêu nghêu có tính cách niềm nở và háo hức tham gia biến nghiên cứu cơ bản thành một công cụ.

Các cuộc họp trực tiếp có thể tạo ra ý tưởng theo cách mà các cuộc gọi hội nghị và cuộc họp Zoom không thể làm được. Điều đó đã xảy ra ở Puerto Rico, và nó lặp lại khi bốn nhà nghiên cứu gặp nhau lần đầu tiên ở Berkeley. Ở đó, họ có thể nghĩ ra một chiến lược để tìm ra chính xác những phân tử nào cần thiết cho hệ thống CRISPR để cắt DNA.

Các cuộc gặp mặt trực tiếp đặc biệt hữu ích khi dự án đang ở giai đoạn đầu. Doudna nói: “Không gì bằng ngồi trong phòng với mọi người, xem phản ứng của họ với mọi thứ và có cơ hội trực tiếp đưa ra các ý tưởng. Đó là nền tảng cho mọi sự hợp tác mà chúng tôi đã có, kể cả những sự hợp tác mà chúng tôi đang tiến hành rất nhiều phần việc qua giao tiếp điện tử”.

Jinek và Chylinski ban đầu không thể khiến CRISPR-Cas9 cắt nhỏ DNA của virus trong ống nghiệm. Họ đã cố gắng làm cho nó hoạt động chỉ với hai thành phần: enzyme Cas9 và crRNA. Về lý thuyết, crRNA sẽ hướng dẫn enzyme Cas9 đến virus mục tiêu, sau đó enzyme này sẽ bị cắt nhỏ. Nhưng nó không hoạt động. Vẫn còn thiếu một thứ gì đó. “Điều đó cực kỳ khó hiểu đối với chúng tôi,” Jinek nhớ lại.

Đây là lúc tracrRNA trở lại câu chuyện của chúng ta. Trong bài báo năm 2011 của mình, Charpentier đã chỉ ra rằng tracrRNA là cần thiết để tạo ra hướng dẫn crRNA. Sau đó, bà nói rằng bà nghi ngờ nó đóng vai trò thậm chí còn lớn hơn, mặc dù khả năng đó không nằm trong lượt thí nghiệm ban đầu của họ. Khi các thí nghiệm thất bại, Chylinski quyết định ném tracrRNA vào ống nghiệm của mình.

Điều đó đã có tác dụng: phức hợp ba thành phần đã cắt DNA mục tiêu một cách đáng tin cậy. Jinek ngay lập tức báo tin cho Doudna: “Không có tracrRNA, hướng dẫn crRNA không liên kết với enzyme Cas9”. Sau bước đột phá đó, Doudna và Charpentier tham gia nhiều hơn vào công việc hàng ngày. Rõ ràng là họ đang hướng tới một khám phá quan trọng: xác định các thành phần thiết yếu của hệ thống cắt gen CRISPR.

Đêm này qua đêm khác, Chylinski và Jinek trao đổi qua lại các kết quả, mỗi lần lại thêm một chút thắc mắc, còn Charpentier và Doudna cũng tham gia nhiều hơn vào các cuộc điện thoại chiến lược ngày càng trở nên thường xuyên hơn. Họ đã có thể khám phá ra các cơ chế chính xác của mỗi thành phần trong số ba thành phần cơ bản của phức hợp CRISPR-Cas9. Thành phần crRNA chứa một chuỗi 20 ký tự đóng vai trò tọa độ để dẫn phức hợp tới một mảnh DNA có chuỗi tương tự. Sau đó Cas9 enzyme bắt đầu tiến hành cắt. […]

Một công cụ chỉnh sửa gen

Hệ thống nhỏ tuyệt vời này, nhanh chóng trở nên rõ ràng, có một ứng dụng tiềm năng thực sự quan trọng: hướng dẫn crRNA có thể được sửa đổi để nhắm mục tiêu vào bất kỳ chuỗi DNA nào bạn muốn cắt. Điều đó có thể được lập trình. Nó có thể trở thành một công cụ chỉnh sửa.

Nghiên cứu về CRISPR sẽ trở thành một ví dụ sinh động về cuộc đối thoại gọi và đáp giữa khoa học cơ bản và y học ứng dụng. Ban đầu, nó được thúc đẩy bởi sự tò mò thuần túy của những người săn vi khuẩn, muốn giải thích một điều kỳ lạ mà họ đã tình cờ phát hiện ra khi giải trình tự DNA của vi khuẩn khác thường.

Sau đó, nó được nghiên cứu với nỗ lực bảo vệ vi khuẩn trong nuôi cấy sữa chua khỏi sự tấn công của virus. Điều đó dẫn đến một khám phá nền tảng về hoạt động cơ bản của sinh học. Giờ đây, một phân tích hóa sinh đang chỉ đường cho sự ra đời của một công cụ có tiềm năng ứng dụng thực tế.

Doudna nói: “Khi chúng tôi tìm ra các thành phần của tổ hợp CRISPR-Cas9, chúng tôi nhận ra rằng mình có thể tự lập trình nó. Nói cách khác, chúng tôi có thể thêm một crRNA khác và khiến nó cắt bất kỳ trình tự DNA nào mà chúng tôi đã chọn”.

Trong lịch sử khoa học, có rất ít khoảnh khắc eureka thực sự, nhưng điều này khá gần với khoảnh khắc đó. “Đó không chỉ là một quá trình dần dần lộ ra trước mắt chúng tôi”, Doudna nói. “Đó là một khoảnh khắc choáng ngợp”.

Khi Jinek cho Doudna xem dữ liệu của anh ấy chứng minh rằng bạn có thể lập trình Cas9 với các RNA hướng dẫn khác nhau để cắt DNA ở bất cứ đâu bạn muốn, họ thực sự dừng lại và nhìn nhau. “Ôi Chúa ơi, đây có thể là một công cụ mạnh mẽ để chỉnh sửa gen”, bà tuyên bố. Nói tóm lại, họ nhận ra rằng mình đã phát triển một phương tiện để viết lại mã của sự sống.