Bài 1: Thành tựu và nguyên tắc ứng dụng của sinh học phân tử

I. KHÁI NIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ

Sinh học phân tử là lĩnh vực khoa học nghiên cứu về cấu trúc, chức năng và sự tương tác giữa các đại phân tử sinh học. Đối tượng nghiên cứu của sinh học phân tử là các đại phân tử sinh học, chủ yếu là nucleic acid và protein; các quá trình, cơ chế liên quan trọng tế bào sống; các kĩ thuật thao tác trên các đại phân tử này để nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn. Sinh học phân tử chính thức ra đời năm 1953 cùng với mô hình phân tử DNA của J. Watson và F. Crick – khám phá lớn nhất trong sinh học của thế kỉ XX.

II. MỘT SỐ THÀNH TỰU HIỆN ĐẠI VỀ LÍ THUYẾT CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ

Từ khi ra đời, sinh học phân tử đã phát triển nhanh chóng, tạo ra rất nhiều thành tựu lí thuyết quan trọng.

Mô hình cấu trúc xoắn kép của phân tử DNA: Watson và Crick (1953) đề xuất mô hình phân tử DNA có cấu trúc hai mạch polynucleotide ngược chiều, song song, xoắn kép, đơn phân là các nucleotide.

Thuyết trung tâm của sinh học phân tử: Crick (1958) đề xuất thuyết trung tâm của sinh học phân tử. Thuyết này mô tả các nguyên lí cơ bản của quá trình lưu trữ và truyền thông tin di truyền từ DNA tới protein qua trung gian RNA. Những năm 1970, thuyết trung tâm được bổ sung quá trình truyền thông tin từ RNA đến DNA (quá trình phiên mã ngược).

Cơ chế điều hoà phiên mã của gene: F. Jacob và J. Monod (1961) đề xuất cơ chế điều hoà quá trình phiên mã ở operon lactose của vi khuẩn E. coli. Phát hiện này có ý nghĩa lớn giúp hiểu rõ cơ chế kiểm soát và điều hoà sự truyền thông tin di truyền từ DNA đến mRNA; kiểm soát sự biểu hiện gene, rất cần thiết trong sự kiểm soát quá trình phát triển, biệt hoá và thực hiện chức năng của tế bào và cơ thể. Cơ chế điều hoà phiên mã của gene có thể ứng dụng trong nghiên cứu về các nguyên nhân gây bệnh và các can thiệp y khoa, liệu pháp gene.

Mã di truyền: M.W. Nirenberg và J.H. Matthaei (1961) tìm ra bộ mã di truyền gồm 64 mã bộ ba (codon). Phát hiện này giúp giải thích thông tin di truyền được truyền như thế nào từ DNA tới protein. Mã di truyền có ý nghĩa lớn trong hiểu biết cơ chế phát sinh các bệnh di truyền, phát triển các công cụ chẩn đoán và điều trị. Nhiều kĩ thuật di truyền phân tử như tách dòng gene, công nghệ DNA tái tổ hợp, chỉnh sửa hệ gene liên quan tới mã di truyền, từ đó tạo ra nhiều ứng dụng trong y sinh, nông nghiệp (tạo sinh vật biến đổi gene, sản xuất protein chữa bệnh,...).

Dự đoán và tách chiết enzyme giới hạn: W. Arber (1962) là người đầu tiên dự đoán sự tồn tại của enzyme giới hạn. H. Smith (1970) tách chiết và mô tả enzyme giới hạn. Enzyme giới hạn có khả năng nhận biết và cắt đặc hiệu tại một số vị trí trên phân tử DNA. Phát hiện enzyme giới hạn cho phép thực hiện các thao tác trên DNA (loại bỏ, chèn chính xác đoạn gene, tạo DNA tái tổ hợp), từ đó cho phép phát triển các kĩ thuật là các công cụ sinh học phân tử cơ bản như tách dòng gene, tạo sinh vật chuyển gene, giải trình tự DNA,...

Xuất phát từ các hiểu biết về cơ chế sinh học phân tử, nhiều kĩ thuật sinh học phân tử đã được phát minh, đóng góp lớn vào sự phát triển của sinh học phân tử, tiêu biểu như: Công nghệ DNA tái tổ hợp: P. Berg (1972) tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp đầu tiên. A.C.Y. Chang và H.W. Boyer (1973) tạo ra plasmid tái tổ hợp, ứng dụng trên Escherichia coli. Phát minh này thúc đẩy sự ra đời của công nghệ di truyền và được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, công nghiệp, y dược (tạo sinh vật chuyển gene, liệu pháp gene, dược học,...).

Kĩ thuật giải trình tự DNA: F. Sanger (1977) phát minh ra kĩ thuật giải trình tự DNA đầu tiên, giúp xác định trình tự nucleotide trên DNA, cung cấp công cụ cho nghiên cứu thông tin di truyền, cấu trúc gene, biến đổi di truyền. Kĩ thuật giải trình tự DNA cho phép hiểu rõ hệ gene, nghiên cứu và chẩn đoán bệnh tật di truyền, y học cá nhân,...

Kĩ thuật PCR: K.B. Mullis (1985) phát minh ra kĩ thuật PCR, cho phép tổng hợp nhân tạo các trình tự DNA dựa trên trình tự DNA khuôn (hình 1.2b).

Giải mã trình tự hệ gene người: Dự án giải trình tự hệ gene người bắt đầu vào năm 1990 và kết thúc năm 2003. Hệ gene người hoàn chỉnh được công bố vào năm 2022. Giải mã trình tự hệ gene người có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực di truyền học người, mở ra khả năng ứng dụng trong y học chính xác, nghiên cứu bệnh tật (ung thư, lão hoá,....), y học cá nhân,...

III. MỘT SỐ THÀNH TỰU VỀ ỨNG DỤNG CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ

Các thành tựu lí thuyết của sinh học phân tử đã rất nhanh chóng được ứng dụng trong thực tiễn. Từ đó, các ứng dụng của sinh học phân tử ngày càng có nhiều đóng góp trong các lĩnh vực như y học; dược học; nông, lâm nghiệp và các lĩnh vực khác.

Ứng dụng trong y học, dược học: Ứng dụng sinh học phân tử trong y học, dược học đã đạt được rất nhiều thành tựu quan trọng. Một số thành tựu tiêu biểu là:

– Chẩn đoán phân tử: Các kĩ thuật PCR và giải trình tự DNA, RNA cho phép phát hiện sớm các bệnh di truyền khác nhau ở người. Ví dụ: Sử dụng kĩ thuật PCR để tách dòng gene mã hoá HER2 ở người cần sàng lọc ung thư vú, sau đó giải trình tự gene này so sánh với gene HER2 ở người bình thường giúp phát hiện người mắc ung thư vú do đột biến gene. Đến nay đã xác định được hơn 8 000 rối loạn di truyền ở người.

– Liệu pháp gene: Các kĩ thuật sinh học phân tử được ứng dụng trong điều trị bệnh di truyền bằng gene, trong đó gene sai hỏng được chỉnh sửa hoặc thay thế bằng gene lành. Ví dụ: Sử dụng liệu pháp gene đưa gene mã hoá -globin vào cơ thể người mắc bệnh tan máu bẩm sinh do đột biến gene này, giúp chữa bệnh thành công.

– Y học cá nhân: Các kĩ thuật sinh học phân tử cho phép nghiên cứu di truyền cá nhân ảnh hưởng đến phản ứng với thuốc, từ đó tối ưu hoá thuốc trong điều trị. Ví dụ: Enzyme CYP2D6 (cytochrome P450 2D6) tham gia chuyển hoá hơn 25% loại thuốc thương mại. Trong thực tiễn, trước khi chỉ định sử dụng thuốc Tamoxifen điều trị ung thư hoặc Imipramine điều trị rối loạn tâm thần, bác sĩ sẽ chỉ định phân tích di truyền gene CYP2D26 trước khi tiến hành điều trị.

– Dịch tễ học phân tử: Các kĩ thuật sinh học phân tử đã cải thiện đáng kể các nghiên cứu dịch tễ học, cho phép theo dõi và xác định các đợt bùng phát bệnh truyền nhiễm, xác định nguồn bệnh, ổ dịch và các mô hình truyền nhiễm. Ví dụ: Sử dụng kĩ thuật giải trình tự gene để xác định nhanh chóng virus SARS-CoV2 (thuộc nhóm Corona) gây bệnh COVID-19 và các biến thể của virus này. Sử dụng công nghệ DNA tái tổ hợp để sản xuất vaccine tái tổ hợp để phòng dịch bệnh,...

Ứng dụng trong nông, lâm nghiệp: Sinh học phân tử được ứng dụng trong nông nghiệp đã nâng cao năng suất, chất lượng nông sản (lương thực, thực phẩm,...) và góp phần sản xuất bền vững.

– Ứng dụng kĩ thuật giải trình tự DNA để giải mã hệ gene của cây trồng, vật nuôi. Hệ gene được giải trình tự là nguồn tài nguyên rất có ý nghĩa trong công tác chọn, tạo giống. Từ đó, các chỉ thị phân tử liên quan đến năng suất, chất lượng và khả năng chống chịu của cây trồng, vật nuôi được xác định. Ví dụ: Sử dụng dữ liệu giải trình tự hệ gene của cây lúa giúp xác định gene chi phối tính trạng số hạt trên bông, các nhà khoa học tiến hành lai giữa các giống KC25 (dòng cho gene) và Khang Dân 18 (giống nhận gene) để tổ hợp các tính trạng tăng số hạt trên bông vào giống Khang Dân 18. – Các sinh vật biến đổi gene được tạo ra nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp có ứng dụng rất rộng rãi trong nông nghiệp. Ví dụ: Hàng trăm giống cây trồng biến đổi gene được trồng rộng rãi như giống ngô, đậu tương chuyển gene kháng thuốc diệt cỏ, giống ngô biến đổi gene kháng sâu, giống đậu tương chuyển gene có hàm lượng oleic acid cao, giống lúa vàng biến đổi gene có hàm lượng carotene cao, giống đu đủ chuyển gene kháng virus (PRSI) có năng suất và chất lượng quả cao,...

– Chẩn đoán và quản lí bệnh hại: Kĩ thuật PCR và một số kĩ thuật khác được sử dụng rộng rãi để xác định các sinh vật gây bệnh cho cây trồng (ví dụ bệnh héo lá Fusarium, bệnh mốc sương khoai tây), vật nuôi (ví dụ bệnh cúm gia cầm do virus, bệnh tiêu chảy ở bò do virus,... )

– Các kĩ thuật sinh học phân tử như mã vạch DNA, vân tay DNA,... được sử dụng để bảo tồn nhiều loài động vật, thực vật quý hiếm, định hướng khai thác bền vững tài nguyên di truyền.

Ứng dụng trong bảo vệ môi trường: Nhiều chủng vi khuẩn biến đổi gene được sử dụng để xử lí tác nhân gây ô nhiễm môi trường (ví dụ: chủng Pseudomonas florescens HK44 xử lí ô nhiễm dầu, Pseudomonas K-62 xử lí ô nhiễm thuỷ ngân); cây trồng chuyển gene kháng thuốc diệt cỏ, kháng thuốc trừ sâu giúp giảm việc thải thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu vào môi trường. Sinh vật chuyển gene có khả năng cố định nitrogen (N,) giúp giảm sử dụng phân bón hoá học trong trồng trọt.

Ứng dụng trong công nghiệp: Các vi sinh vật tái tổ hợp mang các gene mã hoá enzyme, hợp chất hoá học cần thiết trong công nghiệp. Ví dụ: Các vi sinh vật tái tổ hợp mang gene mã hoá enzyme amylase hoặc lipase được dùng trong công nghiệp chế biến thực phẩm. Một số vi khuẩn hoặc nấm men tái tổ hợp sản xuất chất thơm như vanillin, ester hoa quả, diacetyl,... Các kĩ thuật sinh học phân tử được dùng để kiểm tra thực phẩm nhiễm khuẩn, kiểm tra thực phẩm có hay không chứa sản phẩm biến đổi gene,... Ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng: Các vi khuẩn tái tổ hợp hay thực vật chuyển gene có khả năng sản xuất sinh khối nhanh là nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol, biodiesel, biohydrogen,...), giúp giảm sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Ví dụ: giống cỏ switchgrass chuyển gene PvMYB4, giống mía chuyển gene Bt,... dùng để sản xuất ethanol. Vi khuẩn tái tổ hợp nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu vi sinh vật.

Những thành tựu ứng dụng này nhấn mạnh tầm ảnh hưởng to lớn của sinh học phân tử đối với các lĩnh vực của đời sống, từ chăm sóc sức khoẻ và nông nghiệp đến khoa học pháp y và giám sát môi trường. Sự phát triển liên tục trong sinh học phân tử tiếp tục thúc đẩy những ứng dụng của sinh học phân tử và tạo ra nhiều thành tựu mới.

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

1. Nguyên tắc dựa trên các kĩ thuật sinh học phân tử để tạo ra các sản phẩm ứng dụng vào thực tiễn

Từ các nghiên cứu về cấu trúc, chức năng của nucleic acid, protein và các cơ chế phân tử liên quan đến hai loại đại phân tử sinh học này, các kĩ thuật sinh học phân tử đã được phát minh. Các kĩ thuật sinh học phân tử có đích đến là tạo ra các sản phẩm ứng dụng vào thực tiễn, phục vụ nhu cầu của con người.

2. Nguyên tắc tuân thủ đạo đức sinh học và an toàn sinh học

Các kĩ thuật sinh học phân tử ngày càng phát triển, vì vậy, ứng dụng của sinh học phân tử trong thực tiễn cũng ngày càng đa dạng. Ảnh hưởng của các ứng dụng sinh học phân tử ngày càng lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt các lĩnh vực có sự can thiệp vào hệ gene của sinh vật, trong đó có con người. Tuy nhiên cho đến nay, tiềm năng hay những rủi ro của các kĩ thuật sinh học phân tử chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn.

Mặc dù không có những luật chung quy định ứng dụng sinh học phân tử trên toàn thế giới nhưng an toàn sinh học và tuân thủ đạo đức sinh học là hai trong số các nguyên tắc cơ bản cần được thực hiện.

An toàn sinh học: An toàn sinh học là việc ngăn chặn sử dụng sai mục đích (vô ý hoặc cố ý) các tác nhân sinh học hoặc công nghệ sinh học có nguy hiểm tiềm tàng. Để thực hiện nguyên tắc an toàn sinh học cần ban hành và triển khai thực hiện các quy định pháp lí khi thực hiện các kĩ thuật sinh học phân tử tác động đến hệ gene của sinh vật, đặc biệt là hệ gene người. Ví dụ: Nghị định của Chính phủ 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 có quy định chỉ sử dụng những giống cây trồng biến đổi gene được cấp phép lưu hành, bảo quản các vị khuẩn biến đổi gene tại các phòng thí nghiệm an toàn sinh học theo quy định,... Nhà nghiên cứu hoặc nhà sản xuất cần thận trọng khi sử dụng các sinh vật biến đổi gene để hạn chế các rủi ro phát tán gene vào môi trường. Các sản phẩm biến đổi gene cần phải được đánh giá theo những tiêu chuẩn nghiêm ngặt trước khi cho phép lưu hành để tránh ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người,...

Tuân thủ đạo đức sinh học: Tuân thủ đạo đức sinh học là bắt buộc khi làm việc trên các đối tượng sinh vật, đặc biệt trên đối tượng con người và hệ gene người. Người nghiên cứu và sử dụng các kĩ thuật sinh học phân tử cần tuân theo các luật, quy định và hướng dẫn đạo đức sinh học. Ví dụ: Kĩ thuật chỉnh sửa gene chỉ thực hiện tại các phòng thí nghiệm đạt chuẩn bởi các chuyên gia, kĩ thuật viên được đào tạo, chỉ ứng dụng kĩ thuật này trong điều trị khi được cấp phép bởi cơ quan quản lí,...