Nguồn: hình ảnh từ bài báo của Michael Eisenstein. Seven technologies to watch in 2022. Nature 601, 658-661 (2022). doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00163-x.

1. Kỹ thuật giải mã chuỗi trình tự genome Phiên bản bộ gen người tham chiếu được hoàn thiện vào năm 2013 (ký hiệu GRCh38) rất có ích cho nghiên cứu y sinh và cho ứng dụng trong việc chữa trị bệnh di truyền ở người. Nhưng nó vẫn còn thiếu sót nhất định vì kỹ thuật giải mã chuỗi trình tự của Illumina, San Diego, California được sử dụng tại thời điểm đó tạo ra các đoạn đọc chính xác nhưng ngắn. Đoạn đọc ngắn có thể tạo ra việc sắp xếp không chính xác các chuỗi trình tự có tính lặp lại cao như telomere và centromere. Kỹ thuật được phát triển bởi công ty Pacific Biosciences và Oxford Nanopore Technologies (ONT) có thể giải mã 10-100 của hàng ngàn base trong 1 lần đọc mà không có bất cứ lỗi nào xảy ra. Kỹ thuật giải mã của công ty Pacific Biosciences thậm chí có thể phát hiện ra biến dị nhỏ nhất trong chuỗi trình tự lặp lại dài. Kỹ thuật giải mã của công ty ONT có thể nhận dạng nhiều sự biến đổi trong DNA đóng vai trò kiểm soát và điều hòa biểu hiện gen.

2. Nghiên cứu cấu trúc protein Mô hình toán học tiên đoán cấu trúc AlphaFold2 được phát triển bởi công ty Alphabet SubSidiary Deepmind, Anh dựa trên thuật toán “deep learning” để ngoại suy và mô phỏng hình dáng của một protein từ một chuỗi trình tự amino acid. Ứng dụng AlphaFold2 nhận được nhiều sự khen ngợi  từ các nhà sinh học máy tính trong cuộc thi về các ứng dụng tiên đoán cấu trúc protein năm 2020. Sau khi được phóng thích vào tháng 07/2020, AlphaFold2 đã được áp dụng nhiều trong nghiên cứu hệ protein (proteome) để xác định cấu trúc của tất cả protein ở người, 20 loài sinh vật mô hình (Nature 595, 635; 2021) và 440.000 protein trong cơ sở dữ liệu Swiss-Prot. AlphaFold2 có khả năng làm việc với phức hợp protein nhiều chuỗi. Mặt khác, kính hiển vi điện tử Cryo-EM có thể giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu nghiên cứu về protein phức tạp nhất. Cryo-EM có thể tạo ra hình ảnh protein trong nhiều chiều hướng khác nhau và sau đó gắn kết chúng lại thành cấu trúc 3D. Việc cải thiện phần mềm và phần cứng vào năm 2020 làm Cryo-EM có thể tạo ra cấu trúc với độ chính xác <1,5 ångströms và cấu thể chụp lại vị trí của các nguyên tử riêng biệt.

3. Kỹ thuật mô phỏng lượng tử Một vài nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc sử dụng ion như qubit, nhưng thử thách nằm ở chỗ điện cực mang điện tích của các ion khó có thể gắn kết ở mật độ cao. Hai nhà vật lý học Antoine Browaeys, Viện nghiên cứu Quốc gia Pháp CNRS, Paris và Mikhail Lukin, Đại học Harvard, Cambridge, Massachusetts đã tạo ra một phương pháp khác bởi sử dụng nguyên tử ở trạng thái kích thích cao, kích thước lớn nguyên tử Rydberg. Nhà nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này đã sáng lập ra công ty để phát triển hệ thống sử dụng trong phòng thí nghiệm dựa trên nguyên tử Rydberg và hy vọng sản phẩm có thể có mặt trên thị trường trong 1-2 năm tới. 

4. Kỹ thuật nghiên cứu hệ gen chính xác Chỉnh sửa CRISPR-Cas9 thường dẫn đến bởi sự chèn hoặc mất những đoạn gen nhỏ. David Liu, nhà sinh học ở Đại học Havard, Cambridge và cộng sự đã nghiên cứu và phát triển hai phương pháp mới liên quan chỉnh sửa gen. Hai phương pháp này khai thác mục tiêu chính xác của CRISPR nhưng hạn chế khả năng phân cắt DNA ở cùng vị trí đó. Đầu tiên là phương pháp chỉnh sửa base (base editing) kết hợp với Cas9 khả năng xúc tác bị giảm và một enzyme, giúp biến đổi hóa học từ 1 nucleotide này thành 1 nucleotide khác, ví dụ cytosine thành thymine hoặc adenine thành guanine (Nature https://doi.org/hc2t; 2016). Thứ hai là phương pháp chỉnh sửa thăm dò (prime editing). Nó kết hợp Cas9 endonuclease với enzyme reverse transcriptase và một RNA hướng dẫn chỉnh sửa (pegRNA), giúp nhận dạng vị trí mục tiêu và tạo ra thông tin di truyền mới ước muốn để thay chuỗi trình tự DNA mục tiêu. Phương pháp này không đòi hỏi DNA mẫu hoặc phá vở dây đôi DNA (Nature 574, 464–465; 2019). Cả hai phương pháp chỉnh sửa base và thăm dò chỉ cắt duy nhất 1 dây đơn DNA.

5. Liệu pháp di truyền Y học trên nucleic acid đang ảnh hưởng rất lớn trong chuẩn đoán bệnh nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Hầu hết liệu pháp đòi hỏi việc nuôi cấy tế bào ngoài cơ thể (ex vivo) và sau đó cấy vào trong bệnh nhân. Nhưng vấn đề quan trọng là sự đào thải của gan sau khi cấy. Adeno virus có thể là sự chọn lựa cho nhiều liệu pháp gen. Nghiên cứu ở động vật cho thấy virus phù hợp kết hợp với promoter điều hòa gen chuyên biệt mô hiệu quả trong việc phân phát đến vị trí mô mục tiêu. Nhưng virus thì khó sản xuất ở quy mô lớn và virus có thể làm tăng phản ứng miện dịch sau cấy. Phân tử nano lipid là phương pháp tiềm năng cho liệu pháp gen sau một vài nghiên cứu đăng trên tạp chí uy tín trong thời gian qua.

6. Phương pháp nghiên cứu Omics Phương pháp nghiên cứu tế bào có thể làm mất đi thông tin quan trọng trong tế bào vì tế bào được nuôi dưỡng trong môi trường không phải môi trường sống tự nhiên của nó. Vào năm 2016, Joakim Lundeberg ở Viện công nghệ Stockholm vạch ra chiến lược để khắc phục nhược điểm này bằng cách chuẩn bị các slide với oligonucleotide (dây ngắn của RNA hoặc DNA) được đánh dấu mã vạch, qua đó có thể bắt giữ mRNA từ một mẫu mô in vivo. Hiện tại, nhiều nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển kỹ thuật nghiên cứu sự biểu hiện gen với độ chính xác và tin cậy cao hơn. Chuyên gia kỹ thuật y sinh học Rong Fan ở Đại học Yale, New Haven phát triển DBiT-seq16 sử dụng 1 hệ thống vi lưu (kỹ thuật vi lưu sử dụng trong tách tế bào) có thể tạo ra mã vạch cho hàng ngàn mRNA và hàng trăm protein được đánh dấu với kháng thể gắn kết oligonucleotide. Phương pháp này có thể đánh giá chính xác hơn sự biểu hiện gen sẽ ảnh hưởng như thế nào đến sản xuất và hoạt động protein trong tế bào. Một vài hệ thống thương mại có thể thu được dữ liệu từ nhiều protein với phân tích hệ phiên mã cùng lúc như Visium platform và hệ thống Nanostring’s GeoMx.

7. Chuẩn đoán dựa trên CRISPR Cas9 enzyme được sử dụng cho nghiên cứu bộ gen dựa trên CRISPR nhưng nhiều phương pháp chuẩn đoán dựa trên CRISPR sử dụng phân tử mục tiêu RNA Cas13. Cas13 sử dụng RNA của nó để nhận dạng RNA mục tiêu thông qua bắt cặp base và kích hoạt ribonuclease. Nhiều kỹ thuật chuẩn đoán dựa trên Cas13 bây giờ sử dụng RNA báo cáo với việc giữ một tag huỳnh quang với 1 phân tử quencher để ức chế sự phát quang đó. Khi Cas13 ghi nhận RNA của virus, nó cắt RNA báo cáo và phóng thích tag huỳnh quang, tạo ra một dấu hiện có thể phát hiện được. Sabeti và đồng nghiệp đã phát triển một hệ thống vi lưu, giúp sàng lọc nhiều nguồn vi sinh vật gây bệnh song song với việc khuếch đại nguyên vật liệu di truyền với thể tích mẫu chỉ vài microliter. Hệ thống này có thể phân tích 20 virus cùng lúc với 10 đô la cho một mẫu phân tích.

  Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-022-00163-x Tài liệu tham khảo Michael Eisenstein. Seven technologies to watch in 2022. Nature 601, 658-661 (2022). doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00163-x