CRISPR được phát hiện lần đầu tiên ở trong vi khuẩn và vi khuẩn cổ năm 1987 (Ishino et al., 1987). Tại thời điểm đó, CRISPR được mô tả là một họ các trình tự DNA ngắn xuôi ngược lặp lại (đọc theo hướng xuôi hay ngược thì đều có trình tự DNA giống nhau) và các trình tự này được ngăn cách với nhau bởi các vùng đệm (spacer). Tuy nhiên các nhà khoa học vẫn chưa biết chức năng của vùng CRISPR này là gì. Năm 2012, lần đầu tiên công nghệ CRISPR được áp dụng làm kĩ thuật chỉnh sửa hệ gen nhờ công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Jennifer Doudna và Emmanuelle Charpentier tại trường đại học California (Jinek et al., 2012). Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã đưa vào trong tế bào một phức hệ bao gồm enzyme Cas9 nuclease và RNA dẫn đường (guide RNA) tự thiết kế để cắt đoạn DNA tại những vị trí mong muốn.
Bản chất của CRISPR rất đơn giản: đó là một cách tìm kiếm một đoạn DNA cụ thể bên trong tế bào. Sau đó, bước tiếp theo trong công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR thường là thay đổi đoạn DNA đó. Tuy nhiên, CRISPR cũng đã được điều chỉnh để làm những việc khác, chẳng hạn như bật hoặc tắt các gen mà không làm thay đổi trình tự của chúng.
Có nhiều cách để chỉnh sửa bộ gen của một số loài thực vật và động vật trước khi phương pháp CRISPR được công bố vào năm 2012 nhưng phải mất nhiều năm và tiêu tốn hàng trăm nghìn đô la. CRISPR ra đời đã làm cho việc chỉnh sửa bộ gen trở nên rẻ và dễ dàng hơn.
CRISPR đã được sử dụng rộng rãi cho nghiên cứu khoa học. Trong một tương lai không xa, nhiều loài thực vật và động vật trong nuôi trồng có thể đã được thay đổi bằng CRISPR. Trên thực tế, một số người đã và đang ăn thực phẩm biến đổi gen bằng công nghệ này.
Công nghệ CRISPR còn có tiềm năng biến đổi y học, giúp chúng ta không chỉ điều trị mà còn ngăn ngừa nhiều bệnh tật. Chúng ta thậm chí có thể quyết định sử dụng nó để thay đổi bộ gen của con mình. Một nỗ lực để làm điều này ở Trung Quốc đã bị lên án là quá sớm và trái đạo đức, nhưng một số người cho rằng nó có thể mang lại lợi ích cho trẻ em trong tương lai.
CRISPR có thể được ứng dụng can thiệp vào bộ gen người. Nguồn ảnh nature.com
Chìa khóa của CRISPR là protein “Cas” được tìm thấy trong vi khuẩn, giúp bảo vệ chống lại virú. Protein Cas9 được các nhà khoa học sử dụng rộng rãi nhất. Protein này có thể dễ dàng được lập trình để tìm và liên kết với hầu hết mọi trình tự đích mong muốn, chỉ đơn giản bằng cách đưa cho nó một đoạn RNA để dẫn đường.
Khi protein CRISPR Cas9 được thêm vào tế bào cùng với một đoạn RNA dẫn đường, protein Cas9 sẽ kết nối với RNA dẫn đường và sau đó di chuyển dọc theo các sợi DNA cho đến khi nó tìm thấy và liên kết với một chuỗi dài 20 nucleotid của DNA, khớp với một phần của trình tự RNA dẫn đường. Điều đó thật ấn tượng, vì DNA được đóng gói trong mỗi tế bào của chúng ta có sáu tỷ nucleotid và dài 2 mét.
Những việc xảy ra tiếp theo có thể thay đổi. Protein Cas9 tiêu chuẩn cắt DNA tại mục tiêu. Khi vết cắt được sửa chữa, các đột biến được đưa vào thường làm vô hiệu một gen. Đây là cách sử dụng CRISPR phổ biến nhất cho đến nay. Nó được gọi là chỉnh sửa bộ gen - nhưng thường thì kết quả không chính xác như những gì mong đợi.
CRISPR cũng có thể được sử dụng để thực hiện các thay đổi chính xác như thay thế các gen bị lỗi nhưng điều này khó hơn nhiều.
Ngoài ra, các protein Cas tùy chỉnh đã được tạo ra, nó không cắt hoặc thay đổi DNA mà chỉ đơn thuần là bật hoặc tắt các gen: CRISPRa và CRISPRi tương ứng. Còn có một loại nữa, gọi là chỉnh sửa cơ sở (base editors), sẽ thay đổi một nucleotid của DNA thành một nucleotid khác.
Vậy tại sao lại gọi nó là CRISPR? Protein Cas được vi khuẩn sử dụng để phá hủy DNA của virus. Các nhà khoa học thêm các đoạn DNA của virus vào bộ gen đích để hướng dẫn các protein Cas, và các dạng lặp lại của các đoạn DNA này được sử dụng để đặt tên cho CRISPR: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (Tạm dịch tiếng việt là nhóm các đoạn ngắn đối xứng lặp lại thường xuyên).