Hãy tưởng tượng một bác sĩ phẫu thuật thực hiện ca mổ phức tạp nhất, nhưng không thể nhìn thấy kết quả hành động của mình. Anh ta tiến hành can thiệp, rồi phải chờ đợi xét nghiệm để biết liệu mình có trúng đích hay không. Chỉnh sửa gen cũng từng lâu nay trông như vậy: công cụ phân tử được đưa vào tế bào, còn hiệu quả hoạt động của nó được đánh giá sau đó.
Nhiệm vụ này đặc biệt khó khăn trong ty thể — những cấu trúc năng lượng nhỏ bé của tế bào, có DNA riêng. Đột biến trong bộ gen ty thể có thể dẫn đến các bệnh chuyển hóa và thần kinh cơ nghiêm trọng. Các nhà khoa học đã học cách tác động lên các đoạn riêng lẻ của mtDNA, nhưng thông thường kết quả phải được kiểm tra bằng phân tích phân tử và giải trình tự sau đó.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Trịnh Châu đã đề xuất làm cho quá trình ẩn giấu này trở nên hữu hình. Trong công trình năm 2026 đăng trên CCS Chemistry họ đã trình bày một hệ nano liên kết hiệu quả chỉnh sửa gen với tín hiệu huỳnh quang. Nói cách khác, sự kiện phân tử bên trong tế bào nhận được một loại chỉ báo ánh sáng.
Nền tảng của hệ thống là protein Cas12a. Sau khi nhận diện một trình tự DNA nhất định, nó được kích hoạt và bắt đầu cắt các phân tử báo cáo đặc biệt. Khi chúng bị phân cắt, tín hiệu huỳnh quang xuất hiện và có thể được ghi nhận. Thay vì chờ đợi phân tích cuối cùng, nhà nghiên cứu có thể quan sát các thay đổi liên quan đến chỉnh sửa trực tiếp trong hệ thống sống.
Khó khăn kỹ thuật chính là đưa toàn bộ cấu trúc phân tử này đến DNA ty thể. Để làm điều đó, người ta sử dụng các cấu trúc nano DNA được tạo ra bằng khuếch đại vòng tròn lăn (rolling circle amplification, RCA). Chúng cho phép tập hợp các thành phần cần thiết lại với nhau và đồng thời giảm tín hiệu nền.
Công nghệ này không phải tự nhiên mà có. Vào năm 2023, cùng dòng nghiên cứu đó đã dẫn đến việc tạo ra hệ thống InCasor, được mô tả trên Nature Communications. Nó đã cho phép hình ảnh hóa một số đột biến DNA ty thể trong tế bào sống và ở động vật thí nghiệm. Giờ đây nhiệm vụ trở nên phức tạp hơn: không chỉ thấy sự hiện diện của mục tiêu di truyền mà còn đánh giá hiệu quả của chính sự can thiệp.
Ý nghĩa của cách tiếp cận này có thể được minh họa rõ ràng qua ví dụ về bệnh ty thể. Trong một tế bào có thể có hàng trăm hoặc hàng nghìn bản sao mtDNA: một phần bình thường, một phần đột biến. Giả sử công cụ phân tử cần giảm tỷ lệ biến thể nguy hiểm. Chỉ biết rằng nó 'đã hoạt động ở đâu đó' là chưa đủ. Cần hiểu tỷ lệ giữa DNA bình thường và đột biến đã thay đổi bao nhiêu, điều đó xảy ra ở đâu và quá trình phát triển theo thời gian như thế nào. Chính ở đây, khả năng quan sát các thay đổi phân tử trong hệ thống sống trở nên đặc biệt quý giá.
Còn lâu mới đến việc sử dụng các hệ nano như vậy để điều trị cho bệnh nhân. Cần phải kiểm tra tính an toàn, tính đặc hiệu, khả năng phân phối đến các mô khác nhau và nguy cơ tác động không mong muốn. Nhưng bản thân ý tưởng đang thay đổi cách tiếp cận liệu pháp gen: công cụ phân tử không chỉ phải hoàn thành công việc của mình mà còn để lại cho nhà nghiên cứu một tín hiệu rõ ràng về những gì đã xảy ra.
Chỉnh sửa gen không chỉ trở nên chính xác hơn. Lần đầu tiên chúng ta tiến gần đến khả năng nhìn thấy hoạt động của nó từ bên trong — gần như ngay tại thời điểm nó xảy ra.
