Liệu công cụ chuyển đổi gen CRISPR có thể chỉnh sửa gen để xua đuổi rận biển ra khỏi cá hồi

Một dự án mới sẽ sử dụng công cụ chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 để đánh giá lý do tại sao các loài cá hồi Thái Bình Dương lại ít bị nhiễm rận biển hơn so với cá hồi Đại Tây Dương.

Tone-Kari Knutsdatter Ostbye từ Nofima đang chuẩn bị chỉnh sửa các gen mục tiêu trong trứng của cá hồi Đại Tây Dương, mà trứng này sẽ được nuôi và kiểm tra khả năng chống lại rận cá hồi bằng cách sử dụng công cụ chuyển đổi gen CRISPR-Cas9. Ảnh: Joe Urrutia, Nofima

Trong khi sự đổi mới trong ngành công nghiệp cá hồi và những quy tắc nghiêm ngặt đã giúp làm giảm mức độ nghiêm trọng của chấy rận xâm nhập ở các trang trại xuống thì vẫn còn những vấn đề về phúc lợi và môi trường đã được nêu ra về các biện pháp xử lý thông thường và chi phí cho ngành cá hồi chỉ riêng ở Na Uy là 5 tỷ NOK mỗi năm.

Tuy nhiên, dự án mới này nhằm ứng dụng công cụ chỉnh sửa gen vừa đoạt giải Nobel hóa học theo hướng có thể khiến cá hồi nuôi trở thành vật chủ không có sức hấp dẫn đối với rận biển.

Nick Robinson - trưởng dự án đến từ Nofima cho biết: “Không ngoa rằng những kiến thức mà chúng tôi tạo ra trong dự án mới này có thể biến đổi ngành nuôi trồng thủy sản của Na Uy nếu như có thể tạo ra cá hồi Đại Tây Dương có khả năng kháng chấy rận cao hoặc hoàn toàn kháng được chấy rận." Ông có nhiều kinh nghiệm về nghiên cứu di truyền học và lai tạo khả năng kháng bệnh ở các loài thủy sản nuôi trên toàn thế giới.

Tại sao phải chỉnh sửa gen?

Năm nay, giải Nobel hóa học đã được trao cho Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna vì sự phát triển của phương pháp chỉnh sửa gen sử dụng công cụ CRISPR-Cas9 mệnh danh là “kéo cắt gen”. Đây là phương pháp mà các nhà nghiên cứu trong dự án này sẽ sử dụng như một thử nghiệm cuối cùng để biết được những gen nào ảnh hưởng đến mức độ hấp dẫn của cá hồi khi chúng trở thành vật chủ của chấy rận.

Mã di truyền ảnh hưởng đến chức năng và sự phát triển của mọi sinh vật sống. Sự khác biệt trong mã di truyền khiến cá hồi Đại Tây Dương trở thành vật chủ hấp dẫn đối với chấy rận hơn so với cá hồi coho hoặc cá hồi hồng. Ví dụ, những khác biệt như vậy có thể dẫn đến việc sản xuất chất hấp dẫn hóa học bởi cá hồi Đại Tây Dương nhưng cá hồi coho thì không, hoặc dẫn đến da cá hồi phản ứng phòng vệ hiệu quả đối với chấy rận mới bám vào ở cá hồi hồng nhưng phản ứng này không xảy ra ở cá hồi Đại Tây Dương.

“Nếu chúng tôi có thể khám phá ra sự khác biệt trong mã di truyền mà khiến chấy rận bị thu hút bởi cá hồi Đại Tây Dương hoặc mã di truyền khiến da cá hồi Bắc Mỹ trở thành nơi khó chịu cho rận biển định cư và phát triển thì chúng tôi có thể sử dụng những thông tin đó để làm cho cá hồi Đại Tây Dương có khả năng chống lại rận biển và có sức khỏe tốt hơn," Robinson cho biết.

CRISPR-Cas9 là công cụ có thể giúp bạn thực hiện những thay đổi có chủ đích đối với mã di truyền. Ví dụ: CRISPR-Cas9 có thể được sử dụng để xóa đi một vài trình tự cơ sở của mã di truyền nhằm phá vỡ chức năng của gen. Nhưng cần phải có một nỗ lực nghiên cứu quyết liệt, đầu tiên là làm sao để xác định gen nào có thể được chỉnh sửa để đạt hiệu quả như mong muốn và thứ hai là làm sao để có thể thực hiện thành công các chỉnh sửa như mong muốn.

“CRISPR-Cas9 vẫn là một công nghệ tương đối mới đối với nghiên cứu nuôi trồng thủy sản nhưng nó có thể thực hiện thay đổi rất chuẩn xác và có chủ đích tại các gen cụ thể trong bộ gen của cá hồi được biết đến là bộ gen này được bao gồm sự biến đổi giữa các loài về khả năng kháng chấy rận và sự thành công của việc sử dụng chúng phụ thuộc vào loại thay đổi cần thiết và vị trí và mã của gen cần chỉnh sửa,” Giáo sư Ross Houston thuộc Viện Roslin (người mà nhóm nghiên cứu của ông sẽ hợp tác chặt chẽ với Nofima về phần này và các phần khác của dự án) cho biết.

Rận bám vào da cá hồi Đại Tây Dương rồi ăn máu và chất nhầy. Nếu không được điều trị thì ký sinh trùng có thể tạo ra các vết lở loét mà những vết thương này gây căng thẳng và cuối cùng có thể dẫn đến cá bị tử vong. Ảnh: Helge Skodvin, Nofima

Nghiên cứu cần thiết để tìm ra các gen đầy hứa hẹn

Các nhà nghiên cứu sẽ tìm thấy và đong đếm các thành phần hóa học mà mỗi loài cá hồi tiết ra. Sau đó, họ sẽ kiểm tra xem rận biển phản ứng như thế nào với từng loại hóa chất độc nhất do cá hồi Đại Tây Dương tiết ra và họ sẽ khám phá ra chất nào trong số đó là ký hiệu hóa học có thể thu hút hoặc xua đuổi chấy rận.

Howard Browman thuộc Viện Nghiên cứu Biển ở Na Uy cho biết: “Chúng tôi có thể quan sát xem chấy rận có hào hứng và bị kích thích bơi tới những hóa chất này hay không."

Họ cũng sẽ thực hiện các cuộc thí nghiệm để nghiên cứu phản ứng của các loại tế bào khác nhau trên da cá hồi đối với chấy rận ký sinh và phản ứng này khác như thế nào ở các loài Bắc Mỹ kháng chấy rận.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu sẽ xác định những gen nào đang tác động đến việc sản xuất các ký hiệu hóa học này và ảnh hưởng đến phản ứng của các tế bào khác nhau trên da, đồng thời kiểm tra xem các gen này có thể bị "phá vỡ" bằng cách sử dụng CRISPR-Cas9 như thế nào để khiến cá hồi Đại Tây Dương không còn hấp dẫn chấy rận nữa.

Kiểm tra kỹ lưỡng

Nếu các nhà nghiên cứu thành công trong việc thực hiện chỉnh sửa gen trong phòng thí nghiệm thì cá hồi phải được kiểm tra kỹ lưỡng đến kích cỡ trưởng thành ở các cơ sở khép kín để điều tra độ hiệu quả của sự thay đổi này và phát hiện ra bất kỳ tác dụng phụ tiềm ẩn không mong muốn nào. Robinson nhấn mạnh rằng dự án này sẽ không làm cho cá trong ngành công nghiệp bị biến đổi gen và sẽ cần thực hiện nhiều cuộc thử nghiệm nữa. Họ cũng sẽ xem xét đến nguy cơ rận biển thích ứng với những thay đổi này ở cá hồi và làm thế nào để tình huống này được ngăn chặn hiệu quả nhất.

Tim Dempster đến từ Đại học Melbourne cho biết: “Chấy rận thích nghi để kháng lại các biện pháp điều trị bằng hóa chất và chúng ta cần xem xét xem liệu chúng có thể thích ứng để vượt qua bất kỳ thay đổi cụ thể nào mà chúng ta đang thực hiện đối với cá hồi Đại Tây Dương hay không."

Dự án cũng sẽ xem xét các tác động có thể xảy ra đối với quần thể cá hồi tự nhiên.

Robinson cho biết: “Trong dự án, chúng tôi sẽ xác định những thay đổi sẽ được thực hiện hiệu quả nhất trong một quần thể nuôi như thế nào để giúp cho tất cả cá hồi nuôi ở Na Uy có khả năng chống lại chấy rận."

Tùy thuộc theo ngành nuôi trồng thủy sản và các cơ quan chức năng cùng với sự tham vấn của các bên liên quan khác để xác định xem liệu các công cụ mới này có thể được triển khai hay không và nếu có thì đâu là các giải pháp tiếp cận tốt nhất để giới thiệu chúng.

Các nhà nghiên cứu sẽ tuân theo các hướng dẫn nghiên cứu và đổi mới có trách nhiệm (RRI).

“Chúng tôi sẽ mời các tổ chức phi chính phủ và những tổ chức có hứng thú với sản xuất thủy sản khác để thu thập ý kiến về những hệ quả về mặt xã hội và đạo đức mà nghiên cứu và việc triển khai có thể có đối với xã hội Na Uy. Với những thông tin đầu vào như vậy, chúng tôi có thể điều chỉnh công việc đang tiến hành và tạo ra một kế hoạch có trách nhiệm cân bằng giữa phúc lợi động vật, đạo đức và pháp lý,” Robinson cho biết.

Dự án sẽ do Viện Nghiên cứu Vườn ươm, Nuôi trồng thủy sản và Thực phẩm Na Uy - Nofima chủ trì và có sự hợp tác chặt chẽ với các đối tác nghiên cứu của Viện Roslin (Đại học Edinburgh, Vương quốc Anh), Viện Nuôi trồng Thủy sản (Đại học Stirling, Vương quốc Anh), Nghiên cứu Rothamsted (Vương quốc Anh), Đại học Melbourne (Úc), Đại học Đảo Prince Edward (Canada), Phòng thí nghiệm Bigelow về Khoa học Đại dương (Hoa Kỳ), Đại học Gothenburg (Thụy Điển) và Viện Nghiên cứu Biển (Na Uy). Benchmark Genetics và Salmar là các đối tác trong ngành.