Bài 1: Khái quát sinh học phân tử và các thành tựu

I. KHÁI NIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ

Sinh học phân tử là chuyên ngành sinh học nghiên cứu về cấu trúc, chức năng của các đại phân tử trong tế bào và các quá trình sống xảy ra ở cấp độ phân tử, qua đó phát triển các kĩ thuật áp dụng các thành tựu của sinh học phân tử vào thực tiễn.

Lĩnh vực cốt lõi của sinh học phân tử chính là di truyền phân tử.

Trong di truyền học phân tử, kĩ thuật di truyền hay công nghệ gene đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc ứng dụng các thành tựu của di truyền học phân tử vào thực tiễn.

Các kĩ thuật di truyền giúp hình thành nên công nghệ gene bao gồm: định vị, phân lập, giải trình tự gene, nhân dòng gene, nghiên cứu điều hoà biểu hiện gene, tạo DNA tái tổ hợp và các sinh vật biến đổi gene.

II. MỘT SỐ THÀNH TỰU LÍ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ

1. Thành tựu lí thuyết

Thành tựu của sinh học phân tử, đặc biệt trong lĩnh vực di truyền phân tử có được dựa trên những phát minh từ nhiều lĩnh vực khác nhau, không chỉ trong sinh học mà còn ở các lĩnh vực khác như tin học, điện di sắc kí trong vật lí, hoá học và cả các thuật toán chuyên dụng. Sau đây là một vài phát minh tạo ra cuộc cách mạng trong sinh học phân tử nói chung và trong công nghệ gene nói riêng.

Giải trình tự DNA ra đời vào năm 1970. Giải trình tự DNA dựa trên nguyên tắc bổ sung của các cặp base. Công nghệ giải trình tự DNA thế hệ mới hiện nay cho phép giải trình tự từng đoạn DNA gồm khoảng 3.000 cặp nucleotide và giải cùng lúc nhiều trình tự nên có thể giải trình tự 2 tỉ cặp nucleotide chỉ trong vòng 24 giờ. Trình tự các nucleotide của các đoạn DNA được phần mềm máy tính chuyên dụng phân tích và kết nối lại với nhau theo đúng trình tự của hê gene.

Phát minh được coi là mang lại cuộc cách mạng trong sinh học phân tử bắt đầu từ công trình tạo DNA tái tổ hợp đầu tiên được Paul Berg công bố vào năm 1972, khi ông đã gắn thành công đoạn DNA của virus và DNA của vi khuẩn. Với công trình nghiên cứu này, Werner Arbor và các cộng sự đã được tặng giải Nobel Y học năm 1978. Phát minh tìm ra các loại enzyme cắt giới hạn không những giúp cắt DNA ở những vị trí xác định để có thể ghép nối DNA từ các nguồn khác nhau tạo ra DNA tái tổ hợp mà còn có vai trò quan trọng trong lập bản đồ hệ gene.

Từ đầu thế kỉ XXI, việc phát triển kĩ thuật mới đầy hiệu quả mang tên hệ thống CRISPR – Cas9 đã đem lại cuộc cách mạng trong công nghệ gene. CRISPR – Cas9 gồm một loại enzyme là Cas9, có chức năng cắt DNA và một phân tử RNA hướng dẫn (crRNA), giúp Cas9 cắt đúng vị trí cần cắt trên DNA đích dựa trên nguyên tắc bổ sung giữa phân tử RNA hướng dẫn với trình tự nucleotide cần cắt trên DNA đích.

Nếu đưa Cas9 cùng với RNA hướng dẫn có trình tự nucleotide bắt đôi bổ sung với một đoạn của gene đích vào trong tế bào thì hệ thống sẽ cắt đôi gene đích. Các đoạn bị cắt sau đó được tế bào nối lại nhưng ở dạng đột biến mất chức năng.

Nếu muốn sử dụng hệ thống CRISPR – Cas9 để thay thế gene bệnh trong tế bào bằng gene bình thường, các nhà khoa học cần đưa vào tế bào CRISPR – Cas9 kèm theo allele bình thường. Sau khi hệ thống CRISPR – Cas9 cắt phá huỷ gene đích, các enzyme sửa sai của tế bào sẽ lắp allele bình thường vào vị trí của gene bệnh.

2. Ứng dụng của sinh học phân tử

Thành tựu ứng dụng của sinh học phân tử trong thực tiễn ít khi biểu hiện riêng lẻ mà hội tụ với các chuyên ngành khác có liên quan như di truyền, vi sinh, hoá sinh, miễn dịch, sinh học tế bào và tin sinh học.

Thực tế, sinh học phân tử đã được ứng dụng thành công ở nhiều ngành khác nhau như y tế, dược phẩm, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, bảo vệ môi trường,...

a) Thành tựu trong y tế và dược phẩm

Chẩn đoán và điều trị bệnh

Xét nghiệm phân tử (DNA, RNA và protein) hiện nay đã trở thành phương pháp thường quy để nhận biết nhiều tác nhân gây bệnh truyền nhiễm. Do trình tự gene của nhiều vi sinh vật gây bệnh như virus HIV (gây bệnh AIDS) hay SARS–CoV–2 (gây bệnh Covid–19) đã được biết, nên các kĩ thuật PCR (trong đó có RT-PCR) vừa được dùng để xác định tác nhân gây bệnh, vừa được dùng để định lượng vi sinh vật khi theo dõi hiệu quả điều trị ở người bệnh.

Kĩ thuật giải trình tự và phân tích DNA cũng được dùng để xác định các gene gây bệnh di truyền ở người. Đến nay, có hàng trăm bệnh di truyền có thể được chẩn đoán qua phân tích DNA nhờ PCR dùng cặp mồi đặc trưng gene bệnh. Các xét nghiệm gene giúp chẩn đoán, hỗ trợ điều trị và phòng tránh bệnh di truyền trong các dòng họ mang gene gây bệnh và trong cộng đồng. Xét nghiệm gene còn giúp xác định các gene liên quan đến nguy cơ mắc nhiều bệnh “không di truyền" từ thấp khớp đến AIDS.

So sánh sự biểu hiện của các gene trong mô bị ung thư với sự biểu hiện gene ở các tế bào bình thường của cùng một loại mô ở người bệnh, có thể xác định được những gene gây bệnh và sản phẩm của gene đó. Qua đó, bác sĩ có thể đưa ra thuốc đích điều trị thích hợp cho từng bệnh nhân, giúp giảm tác dụng phụ của thuốc một cách tối đa. Đây là cách điều trị bệnh theo hướng cá thể hoá vì cùng một loại bệnh như bệnh ung thư nhưng gene gây bệnh có thể khác nhau.

Liệu pháp gene và chỉnh sửa gene

Công nghệ sinh học phân tử cho phép chuyển gene lành vào cơ thể bệnh nhân (mang gene bệnh) hoặc chỉnh sửa gene bệnh để điều trị. Để kéo dài hiệu quả điều trị, các tế bào được biến đổi di truyền cần phân chia trong suốt cuộc đời người bệnh. Các tế bào gốc tuỷ xương (vốn sinh ra tất cả các tế bào máu và hệ miễn dịch) là đích phù hợp để thực hiện liệu pháp gene. 

Công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR – Cas9 cho phép sửa gene sai hỏng trực tiếp trong tế bào nên bỏ qua được bước chuyển gene trong quy trình liệu pháp gene. Hiện nay, thành tựu về liệu pháp gene và chỉnh sửa gene mới chỉ ở mức nghiên cứu thử nghiệm, chưa được ứng dụng trong thực tiễn vì còn nhiều rào cản về kĩ thuật và đạo đức.

Sản xuất dược phẩm

Dược phẩm là ngành được hưởng các ích lợi to lớn của sinh học phân tử. Nhiều thuốc sinh học (có thành phần là protein, DNA, RNA) được phát triển và hiện được sản xuất trên quy mô lớn nhờ các phương pháp sinh học phân tử.

Các vaccine phòng tránh, điều trị các bệnh truyền nhiễm và ung thư ở người cũng là một nhóm thuốc sinh học lớn đã được phát triển nhanh chóng nhờ sinh học phân tử. Nếu các công nghệ sản xuất vaccine truyền thống cần thời gian dài để phát triển và thử nghiệm, thì công nghệ sinh học phân tử kết hợp với tin sinh học gần đây cho phép tạo được các vaccine DNA và RNA thế hệ mới với thời gian ngắn kỉ lục. 

Bằng công nghệ chuyển gene, các nhà khoa học đã tạo ra cừu chuyển gene có khả năng sản xuất sữa chứa antithrombin. Antithrombin sau đó được tách chiết và tinh chế thành thuốc chống đông máu ở người.

b) Thành tựu trong nông nghiệp

Khi đã xác định và phân lập được các gene quý hiếm ở một loài vật, các nhà khoa học có thể sử dụng công nghệ di truyền để chuyển gene từ loài này sang loài khác, tạo ra các giống mới một cách nhanh chóng.

Ví dụ: Công nghệ DNA tái tổ hợp đã được ứng dụng để tạo ra những giống cừu có chất lượng lông tốt hơn, lợn có nhiều thịt nạc hơn hay bò sớm thành thục sinh dục. Tuy nhiên, các vấn đề về động vật chuyển gene bị giảm khả năng sinh sản hay mẫn cảm với các tác nhân gây bệnh cần phải được quan tâm giải quyết khi phát triển các giống động vật chuyển gene.

Đối với ngành trồng trọt, có nhiều giống cây trồng biến đổi gene có khả năng kháng sâu bệnh hay thuốc diệt cỏ đã được đưa vào sản xuất đại trà.

Ở Ấn Độ, nhờ việc cài một gene chịu mặn có nguồn gốc từ một giống xoài mọc ven biển vào hệ gene của một số giống lúa mà các cây lúa có thể sinh trưởng được trong điều kiện nước có hàm lượng muối cao hơn ba lần so với nước biển. Kĩ thuật di truyền còn có tiềm năng giúp cải thiện giá trị dinh dưỡng của các loài cây trồng. 

c) Thành tựu trong công nghiệp thực phẩm và xử lí môi trường

Trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, việc xác định nhanh và chính xác các nguồn vi sinh vật gây ngộ độc thực phẩm hàng loạt là yêu cầu thường xuyên của các nhà quản lí xã hội và các nhà sản xuất thực phẩm. Gần đây, các kĩ thuật sinh học phân tử, đặc biệt là PCR, được sử dụng để phát hiện nhanh và chính xác các tác nhân vi sinh vật gây ngộ độc thực phẩm.

Theo một hướng khác, các nhà chọn giống vi sinh vật phục vụ sản xuất thực phẩm lại sử dụng các chỉ thị phân tử giúp tăng hiệu quả và rút ngắn thời gian chọn, tạo giống.

Trong vấn đề xử lí ô nhiễm môi trường, khả năng đa dạng của vi sinh vật trong việc chuyển hoá các hoá chất độc hại thành dạng “thân thiện” với môi trường đã được khai thác ứng dụng.

Các kĩ thuật sinh học phân tử giúp phân lập được các gene chuyển hoá, chọn lọc và tạo các chủng vi sinh vật có thể chuyển hoá được các kim loại nặng như đồng, chì, nikel thành các muối ít độc, hay các chủng có thể phân giải các hợp chất hữu cơ cloride độc trong các môi trường nước bị ô nhiễm để làm sạch môi trường.

So với các giải pháp vật lí và hoá học thì các giải pháp sinh học được coi là triệt để, thân thiện và bền vững với môi trường hơn.

d) Thành tựu trong pháp y, truy tìm nguồn gốc và an ninh – quốc phòng

Trong các vụ án hình sự hay các thảm hoạ mà thi thể nạn nhân không thể nhận dạng thì dịch cơ thể hoặc các mảnh mô nhỏ còn sót lại có thể được dùng để xác định danh tính.

Nếu như lượng sinh phẩm thu được đủ lớn thì các phòng thí nghiệm pháp y có thể xác định được nhóm máu hoặc mô dựa trên việc sử dụng các kháng thể để phát hiện ra các protein bề mặt đặc hiệu của chúng. Tuy nhiên, những phép thử này thường cần một lượng mẫu tương đối lớn và các mẫu thu được phải còn tươi mới. Ngoài ra, do nhiều người thuộc cùng nhóm máu và mô, nên phương pháp này thường chỉ giúp loại trừ bớt đối tượng, chứ không đủ định danh chính xác đến từng cá thể.

Ngược lại, phép phân tích DNA có thể giúp định danh tới từng cá thể với mức độ chắc chắn cao, do trình tự DNA của mỗi người là đặc thù duy nhất (trừ trường hợp sinh đôi cùng trứng). Các chỉ thị DNA biến đổi trong quần thể có thể được đem phân tích ở một người nhất định để xác định một tập hợp các chỉ thị đặc trưng duy nhất của cá thể đó. Tập hợp các chỉ thị DNA đặc trưng cá thể được gọi tắt là tàng thư di truyền của một người.

Trong việc xác định huyết thống, vì mỗi người con đều được di truyền các chỉ thị DNA hoặc từ bố đẻ hoặc từ mẹ đẻ, nên việc phân tích các chỉ thị DNA cho phép xác định được chính xác mối quan hệ huyết thống giữa các cá thể vốn chưa rõ hoặc còn nghi ngờ về quan hệ huyết thống.

Theo các nguyên tắc tương tự, các kĩ thuật phân tích DNA đã được sử dụng rộng rãi và ngày càng thành công để truy tìm nguồn gốc các mẫu sinh học như truy tìm nguồn gốc các dịch bệnh truyền nhiễm hay các sản phẩm từ các động vật hoang dã bị cấm săn bắt và buôn bán. 

III. CÁC NGUYÊN TẮC ỨNG DỤNG SINH HỌC PHÂN TỬ TRONG THỰC TIỄN

1. Nguyên tắc về an toàn sinh học

Ứng dụng công nghệ sinh học phân tử vào thực tiễn đem lại nhiều lợi ích to lớn nhưng cũng gây nên nhiều quan ngại trong xã hội. Một trong số đó là những sinh vật biến đổi gene, đặc biệt là vi sinh vật và virus.

Trong đó, nguy cơ lớn nhất là virus hoặc vi khuẩn biến đổi gene trong các phòng thí nghiệm bị thoát ra ngoài môi trường có thể gây nên đại dịch rất khó kiểm soát, ảnh hưởng cực kì nghiêm trọng tới loài người và các loài trong tự nhiên.

Để phòng tránh nguy cơ phát sinh các vi sinh vật độc hại mới phát tán ra môi trường tự nhiên, các nhà khoa học đã xây dựng một bộ quy chế hướng dẫn về quản lí an toàn sinh học và đã được thông qua ở nhiều quốc gia. 

Ngoài ra, các chủng vi sinh vật được dùng trong công nghệ biến đổi DNA thường được làm “suy yếu” về mặt di truyền nhằm đảm bảo chúng không thể sống trong điều kiện ngoài phòng thí nghiệm. Cuối cùng, một số loại thí nghiệm nhất định, có nguy cơ nguy hiểm cao bị cấm triển khai hoàn toàn.

Đến nay, quan ngại của công chúng nhiều hơn cả là về các sinh vật biến đổi gene được dùng làm thực phẩm. Phần lớn các sinh vật biến đổi gene đóng góp vào nguồn thực phẩm hiện nay là các loài cây trồng.

Nhiều người lo sợ rằng các sản phẩm từ động vật, thực vật biến đổi genecó thể gây dị ứng. Mặc dù chưa có các bằng chứng rõ rệt về điều này nhưng nhiều quốc gia đã có quy định về ghi nhãn thực phẩm có nguồn gốc biến đổi gene (GMO) để người tiêu dùng có quyền lựa chọn và phòng tránh rủi ro. 

2. Nguyên tắc về đạo đức sinh học

Những tiến bộ của công nghệ sinh học phân tử giờ đây cho phép chúng ta có thể giải trình tự toàn bộ hệ gene người và nhiều sinh vật khác, qua đó cung cấp một kho thông tin khổng lồ về các gene.

Tốc độ giải trình tự DNA ngày càng tăng và giá thành ngày càng giảm làm nảy sinh các câu hỏi về đạo đức sinh học: Ai có thẩm quyền được theo dõi thông tin di truyền của người khác? Thông tin đó nên được sử dụng thế nào? Liệu hệ gene của một người có trở thành yếu tố xác định tiêu chuẩn tuyển dụng lao động hay khiến người đó bị phân biệt đối xử không?

Các mối quan ngại về mặt đạo đức cũng như các nguy cơ đối với sức khoẻ và môi trường có thể làm chậm một số hướng ứng dụng của sinh học phân tử.

Cũng có một nguy cơ rằng các quy trình quản lí hà khắc sẽ cản trở các nghiên cứu cơ bản và các lợi ích tiềm năng của nó. Tuy vậy, sức mạnh của công nghệ sinh học phân tử – nghĩa là khả năng của chúng làm biến đổi nhanh chóng các đối tượng sinh vật vốn đã tiến hoá qua nhiều thiên niên kỉ – đòi hỏi chúng ta phải triển khai một cách thận trọng và có tính nhân văn.