Nội dung lý thuyết
Sinh học phân tử là ngành khoa học nghiên cứu sự sống ở cấp độ phân tử, trong đó chủ yếu nghiên cứu cấu trúc, chức năng của nucleic acid và protein; nghiên cứu sự tương tác giữa các sản phẩm của gene trong tế bào sống.
Sinh học phân tử hiện đại không chỉ nghiên cứu các đại phân tử và các quá trình cơ bản liên quan đến các đại phân tử sinh học xảy ra trong tế bào sống, mà còn phát triển các kĩ thuật sinh học phân tử dựa vào những hiểu biết về cấu trúc và chức năng của vật chất di truyền ở cấp độ phân tử.
– Những phát hiện và mô tả cấu trúc vật chất di truyền cấp độ phân tử:
+ Năm 1868, Friedrich Miescher khám phá ra chất mới là nuclein từ nhân tế bào. Nuclein hiện được biết đến là một hỗn hợp của DNA, RNA và protein.
+ Năm 1944, Oswald Avery đã chứng minh được chính DNA là vật liệu mang thông tin di truyền.
+ Năm 1953, hai nhà khoa học Francis Crick và James Watson tìm ra mô hình mạch xoắn kép của DNA.
– Những nghiên cứu làm sáng tỏ chức năng vật chất di truyền cấp độ phân tử:
+ Năm 1957, Francis Crick đã đề xuất học thuyết trung tâm (central dogma). Học thuyết mô tả dòng thông tin di truyền từ DNA qua RNA rồi đến protein.
+ Năm 1958, Matthew Meselson và Franklin Stahl chứng minh rằng sao chép DNA là bán bảo toàn.
+ Năm 1968, Marshall Nirenberg và Har Khorana nhận giải Nobel Sinh lí học và Y học cho công trình giải mã mã di truyền.
- Phát triển các kĩ thuật sinh học phân tử
+ Trong những năm 1930, Arne Tiselius đã phát triển một phương pháp được gọi là điện di trên bản gel (Hình 1.1a và Hình 1.1b). Nguyên lí của điện di là DNA/RNA tích điện âm nên khi đưa DNA/RNA vào bản gel đặt trong điện trường, các đoạn DNA/RNA sẽ di chuyển về cực dương Vận tốc di chuyển của các đoạn DNA/RNA trong bản gel tỉ lệ nghịch với khối lượng, kích thước phân tử của chúng. Kết quả là các đoạn DNA/RNA nào có khối lượng, kích thước nhỏ thì di chuyển nhanh hơn và đoạn nào có khối lượng, kích thước lớn thì di chuyển chậm hơn. Từ đó, phân tách được các đoạn DNA/RNA theo khối lượng phân tử, kích thước. So sánh với thang chuẩn sẽ xác định được các đoạn DNA/RNA cần tìm.
+ Năm 1975, Edwin Southern công bố kĩ thuật Southern blot, kĩ thuật dùng để dò tìm một đoạn DNA xác định giữa một hỗn hợp nhiều đoạn DNA dựa vào một mẫu dò đặc hiệu cho đoạn DNA đó; tương tự như vậy, kĩ thuật Northern blot dò tìm RNA, Western blot dò tìm protein.
+ Năm 1977, Allan Maxam và Walter Gilbert đã công bố phương pháp phân giải hoá học (dùng hoá chất liều thấp để phá huỷ một trong bốn loại nucleotide tạo nên DNA) để giải trình tự gene nhằm xác định trình tự nucleotide trên DNA. Cùng năm đó Frederick Sanger và cộng sự cũng công bố công trình giải trình tự gene dựa vào hoạt động của enzyme DNA polymerase trong quá trình tổng hợp sợi DNA bổ sung (các sợi DNA được tổng hợp mới sẽ kết thúc tại các vị trí đặc hiệu là các dideoxynucleotide). Phương pháp này là cơ sở hoạt động cho các máy giải trình tự gene sau này.
+ Năm 1981, Ralph Brinster và Richard Palmiter cùng cộng sự đã thành công trong việc tạo ra động vật chuyển gene đầu tiên trên thế giới, bằng cách chuyển gene của loài chuột này sang phôi loài chuột khác. Gene chuyển đã biểu hiện ở chuột chuyển gene và các thế hệ con cháu của chúng.
+ Năm 1985, Kary Banks Mullis đã công bố kĩ thuật PCR. Kĩ thuật này cho phép tổng hợp DNA dựa trên mạch khuôn là một trình tự đích DNA ban đầu, khuếch đại, nhân số lượng bản sao của khuôn thành hàng triệu bản sao nhờ hoạt động của enzyme polymerase và một cặp mồi (primer) đặc hiệu cho đoạn DNA. Kĩ thuật này làm cơ sở để phát triển các kĩ thuật PCR cải tiến.
Tháng 4 năm 2003, dự án giải trình tự hệ gene người đã công bố một trình tự hệ gene người hoàn chỉnh về cơ bản. Khoảng 92 % hệ gene người đã được giải trình tự và có gần 400 khoảng trống. Đến ngày 31/3/2022, trình tự hệ gene người đã thực sự hoàn chỉnh và được công bố.
Ứng dụng trong y – dược học
Về y học:
– Kĩ thuật giải trình tự gene đã xác định được khoảng 4 000 bệnh hiếm gặp ở người do đột biến gene gây ra, trên cơ sở đó, giúp điều trị và phòng tránh bệnh hiệu quả. Nhờ giải trình tự gene mà nhiều hệ gene của sinh vật gây bệnh cho người đã được xác định, giúp cho việc chẩn đoán và điều trị các bệnh do nhiễm khuẩn, nhiễm virus, nhiễm kí sinh trùng chính xác.
– Kĩ thuật giải trình tự gene thế hệ mới (NGS) kết hợp tin sinh học ứng dụng trong xác định bệnh di truyền. Một trong các xét nghiệm được ứng dụng để xác định sớm các bệnh di truyền ở thai nhi là xét nghiệm NIPT.
– Kĩ thuật Realtime PCR, Realtime RT-PCR vừa được dùng để chẩn đoán chính xác các bệnh do sai hỏng DNA; các bệnh do vi khuẩn, virus, kí sinh trùng,...; vừa được dùng để xác định tải lượng vi sinh vật kí sinh ở người bệnh.
– Việc giải mã hoàn chỉnh hệ gene (genome) người đã mở ra một tương lai mới cho việc ứng dụng sinh học phân tử trong y học. Mỗi người có một “hồ sơ gene” mang tính cá thể hoá được ứng dụng trong mọi mặt của đời sống như trong y học, bác sĩ khám bệnh và kê đơn thuốc điều trị căn cứ trên genome của từng người bệnh. Thuốc điều trị mang đặc điểm riêng của chính người bệnh, có tác động ảnh hưởng vào chính gene bệnh của bệnh nhân. Theo đó, từng bệnh nhân sẽ được điều trị đúng thuốc, đúng liều và đúng lúc nên có đáp ứng hiệu quả tốt.
– Vận dụng kĩ thuật di truyền giúp chẩn đoán các bệnh do sai hỏng DNA dẫn tới rối loạn di truyền, tiến tới điều trị bệnh bằng cách đưa các đoạn gene lành vào thay thế các gene sai hỏng, chỉnh sửa gene trực tiếp trong cơ thể người. Năm 2020, hai nhà khoa học nữ Emmanuelle Charpentier và Jennifer A. Doudna đã được trao giải Nobel hoá học nhờ công nghệ chỉnh sửa gene có tên CRISPR/Cas9. Công nghệ CRISPR/Cas9 được ứng dụng loại bỏ các trình tự DNA đột biến và thay thể chúng bằng đoạn DNA bình thường trong điều trị ung thư; ứng dụng hệ thống CRISPR/Cas9 gây bất hoạt gene, tạo đột biến định hướng chính xác, sàng lọc đích tác động của thuốc chữa bệnh ở người,... (Hình 1.3).
Về dược phẩm:
– Sử dụng kĩ thuật chuyển gene để tạo các vi sinh vật có khả năng sản xuất các chế phẩm sinh học trên quy mô công nghiệp để tạo ra các loại thuốc, mĩ phẩm và thực phẩm chức năng,...
– Công nghệ sinh học phân tử ứng dụng trong sản xuất vaccine thế hệ mới như vaccine DNA tái tổ hợp; vaccine mRNA (Hình 1,4).
Ứng dụng trong nông, lâm, ngư nghiệp
– Kĩ thuật di truyền được sử dụng để xác định vị trí các gene mã hoá cho các tính trạng mong muốn. Kết hợp công nghệ gene tạo ra các sinh vật biến đổi gene, mang đặc điểm mới, đáp ứng nhu cầu của con người, được ứng dụng trong nông nghiệp để tạo ra các giống cây trồng mang đặc tính quý; ứng dụng trong lâm nghiệp để tạo cây lâm nghiệp chống sâu bệnh; ứng dụng trong nuôi trồng thuỷ sản, chăn nuôi để tạo ra giống có năng suất và chất lượng cao; ứng dụng xác định giới tính phối của một số loại gia súc.
– Công nghệ DNA tái tổ hợp kết hợp với công nghệ vi sinh, công nghệ enzyme và protein để sản xuất quy mô công nghiệp các chế phẩm vi sinh dùng trong bảo vệ cây trồng, cải tạo đất, chế biến và bảo quản nông sản – thực phẩm, sản xuất thức ăn chăn nuôi, làm sạch nước sinh hoạt và xử lí các phế, phụ phẩm, chất thải từ sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt.
Ứng dụng bảo vệ môi trường
– Ứng dụng công nghệ DNA tái tổ hợp để tạo ra các chủng vi sinh vật có khả năng sản xuất lượng lớn chế phẩm sinh học thân thiện với môi trường, phục vụ nhu cầu sống của con người như một số nhiên liệu sinh học phục vụ mục tiêu sản xuất sạch hơn và bảo đảm an ninh năng lượng; tạo ra các chủng vi sinh vật có khả năng xử lí các chất thải gây ô nhiễm, phục hồi và phát triển các hệ sinh thái tự nhiên, bảo vệ môi trường.
– Ứng dụng kĩ thuật chuyển gene, biến đổi gene trong kiểm soát một số một số dịch bệnh gây hại cho cây trồng, vật nuôi nhằm hạn chế việc sử dụng hoá chất gây hại cho môi trường.
Ứng dụng trong công nghiệp chế biến
Ứng dụng kĩ thuật chuyển gene kết hợp với các công nghệ enzyme, protein, vi sinh để sản xuất quy mô công nghiệp các amino acid, protein, acid hữu cơ, dung môi hữu cơ, chế phẩm vi sinh phục vụ công nghiệp chế biến thực phẩm, sản xuất thức ăn chăn nuôi, xử lí ô nhiễm môi trường,...
Ứng dụng trong quốc phòng, an ninh
– Nghiên cứu, xây dựng tàng thư gene người trên một số đối tượng cần quản lí.
– Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng kĩ thuật sinh học phân tử mà cụ thể là xét nghiệm DNA trong đấu tranh phòng, chống, truy tìm tội phạm; quản lí nguồn nhân lực; phục vụ công tác bảo đảm an ninh; quốc phòng. Ví dụ: dựa vào dấu vết của tội phạm để lại trên hiện trường có thể xác định được DNA của đối tượng, làm cơ sở để xác định chính xác danh tính đối tượng.
Việc nghiên cứu và ứng dụng sinh học phân tử vào thực tiễn được tiến hành đảm bảo nguyên tắc tạo ra các sản phẩm sinh học ứng dụng trong mọi mặt của đời sống. Song song với đó là nguyên tắc an toàn sinh học và đạo đức sinh học.
Kĩ thuật sinh học phân tử dựa trên những nguyên lí và quá trình để tạo ra các sản phẩm sinh học nhằm đáp ứng mọi mặt của đời sống là nguyên tắc cơ bản của ứng dụng sinh học phân tử trong thực tiễn.
Dựa trên nguyên tắc cơ bản này, nhiều sản phẩm sinh học đã được tạo ra để phục vụ cho đời sống con người.
– Chế phẩm insulin được tạo ra từ công nghệ DNA tái tổ hợp dựa trên nguyên lí tái tổ hợp DNA và nguyên lí biểu hiện gene (là hiện tượng thông tin mã hoá trình tự amino acid chứa trong gene được biểu hiện trong tế bào sống thông qua phiên mã và dịch mã).
– Các chế phẩm sinh học dùng trong xử lí ô nhiễm môi trường được tạo ra từ công nghệ vi sinh dựa trên nguyên lí hoạt động của enzyme. Ví dụ: sử dụng vi sinh vật để tạo chế phẩm phân giải rác thải hữu cơ.
An toàn bảo mật thông tin
– Việc giải trình tự hoàn chỉnh hệ gene người đã mở ra một tương lai mới cho sinh học phân tử, nhưng cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro. Khi mỗi người có một “hồ sơ gene” định danh thì việc ứng dụng “hồ sơ gene” vào mọi hoạt động trong cuộc sống là xu thế tất yếu. Vấn đề rủi ro khi “hồ sơ gene” bị tiết lộ và bị lợi dụng cho các mục đích xấu.
– Khi sinh học phân tử đạt đến trình độ cao cùng với ngành Tin sinh học ra đời thì ứng dụng sinh học phân tử cần có một nguyên tắc và phải phát triển thành luật để bảo vệ thông tin cho mỗi cá nhân.
An toàn cho sức khoẻ con người
– Kĩ thuật chuyển gene kết hợp công nghệ gene đã tạo ra các sinh vật biến đổi gene. Có một số nguy cơ có thể xảy ra:
(1) những gene gây ung thư được chuyển vào virus, chính những virus đó lây nhiễm vào tế bào của người;
(2) sinh vật biến đổi gene (GMO) thoát ra ngoài, có thể phát triển trên diện rộng, khó kiểm soát;
(3) sản phẩm có nguồn gốc từ GMO có thể không an toàn đối với sức khoẻ con người (gây dị ứng, gây rối loạn sinh sản ở người, ảnh hưởng tới hệ thần kinh,
gây ung thư,...).
– Mặc dù chưa có các bằng chứng rõ rệt về việc sản phẩm của kĩ thuật chuyển gene kết hợp công nghệ gene ảnh hưởng tới sức khoẻ con người nhưng theo tổ chức WHO, những thực phẩm biến đổi gene trên thị trường quốc tế hiện nay phải trải qua giai đoạn đánh giá an toàn rất nghiêm ngặt, đảm bảo không gây ra nguy cơ cho sức khoẻ con người. Ở nước ta, Chính phủ cũng đã ban hành các Nghị định số 69/2010/NĐ-CP ngày 21/6/2010 và Nghị định số 118/2020/NĐ-CP ngày 2/10/2020 về An toàn sinh học đối với sinh vật biến đổi gene, mẫu vật di truyền và sản phẩm của sinh vật biến đổi gene.
An toàn và an ninh sinh học trong nghiên cứu sinh học phân tử
– An toàn sinh học là các nguyên tắc được thực hiện nhằm ngăn ngừa việc vô tình phơi nhiễm hoặc vô ý phát tán các tác nhân sinh học đã bị biến đổi di truyền.
– An ninh sinh học là các biện pháp an ninh nhằm ngăn chặn việc thất thoát, sử dụng sai, chuyển đổi mục đích hoặc cố ý phát tán các tác nhân sinh học đã bị biến đổi di truyền.
– Các hoạt động an toàn sinh học và an ninh sinh học trong nghiên cứu sinh học phân tử là nền tảng để bảo vệ lực lượng lao động trong phòng xét nghiệm và cộng đồng khỏi việc vô tình bị phơi nhiễm hoặc phát tán các tác nhân sinh học bị biến đổi di truyền có khả năng gây bệnh.
– Các phòng thí nghiệm sinh học phân tử cần tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về an toàn sinh học theo cẩm nang an toàn sinh học phòng xét nghiệm của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và sổ tay an toàn sinh học; các hướng dẫn và quy định cho từng kĩ thuật sinh học phân tử.
– Ở nước ta, Bộ Y tế cũng đã ban hành các Thông tư: 37/2017/TT-BYT quy định về thực hành
– Trước khi đưa các kĩ thuật sinh học phân tử vào ứng dụng đều phải trải qua giai đoạn thử nghiệm nghiêm ngặt, được Hội đồng đạo đức Y sinh phê duyệt, đảm bảo tối đa tính chính xác, khoa học và hạn chế tuyệt đối những rủi ro gặp phải trong nghiên cứu, thử nghiệm và sử dụng sau này.
– Một trong những khía cạnh đạo đức của nghiên cứu sinh học phân tử là tránh các tác động tiêu cực của nghiên cứu đối với sinh vật sử dụng trong thí nghiệm sinh học phân tử; kết quả nghiên cứu phải hướng tới lợi ích của cộng đồng.