Bài 11: Hệ gene, công nghệ gene và ứng dụng

I. KHÁI NIỆM HỆ GENE

- Hệ gene là toàn bộ lượng vật chất di truyền trong tế bào của sinh vật.

- Ở sinh vật nhân sơ, hệ gene là phân tử DNA vòng trong vùng nhân và plasmid.

- Ở sinh vật nhân thực, hệ gene gồm tập hợp phân tử DNA trên nhiễm sắc thể trong nhân tế bào và trong các bào quan như ti thể, lạp thể (thực vật) hoặc plasmid (nấm men).

- Với kĩ thuật giải trình tự DNA ngày càng nhanh và hiệu quả, đã có hàng chục nghìn hệ gene của các sinh vật được giải trình tự. Các sinh vật này ở các bậc phân loại khác nhau có hệ gene với kích thước, số lượng gene khác nhau.

- Hệ gene chứa các gene mã hoá các RNA, protein cần cho các hoạt động sống của sinh vật.

II. THÀNH TỰU VÀ ỨNG DỤNG CỦA VIỆC GIẢI MÃ HỆ GENE NGƯỜI

1. Một số thành tựu của việc giải trình tự hệ gene người

- Dự án giải trình tự hệ gene người được khởi động vào năm 1990 và kết thúc vào năm 2003. Mục tiêu của dự án là xác định bản đồ gene đầy đủ của hệ gene người, từ đó biết được vị trí và chức năng của hầu hết các gene của người. Nhưng đến năm 2022, hệ gene người được giải trình tự hoàn chỉnh.

- Trên thế giới, nhiều phiên bản hệ gene người ở các đối tượng khác nhau đã được giải trình tự.

- Ở Việt Nam, dự án Vietnamese Genetic Variation Database đã hoàn thành giải trình tự hệ gene người Việt Nam khoẻ mạnh. Bên cạnh hệ gene trong nhân, hệ gene ti thể cũng đã được giải trình tự trên nhiều cá thể người khoẻ mạnh cũng như người mắc bệnh di truyền.

2. Một số ứng dụng của việc giải trình tự hệ gene người

Hệ gene người được giải trình tự đã cho phép hiểu rõ về quá trình di truyền các tính trạng cũng như bệnh tật ở người. Một số ứng dụng cơ bản của việc giải trình tự hệ gene người như sau:

Nghiên cứu tiến hoá

Thông tin di truyền từ hệ gene người được ứng dụng trong nghiên cứu sự tiến hoá loài người. 

Bảo vệ sức khoẻ con người

- Trình tự hệ gene người được sử dụng để phát hiện các đột biến gene gây bệnh di truyền, từ đó đưa ra phương pháp điều trị thích hợp. 

- Các thông tin về các đột biến có thể được sử dụng trong tư vấn di truyền, giúp các cặp vợ chồng đưa ra quyết định phù hợp về các lựa chọn sinh con. 

- Một số loại thuốc điều trị ung thư tác động đến gene hoặc protein để tiêu diệt hoặc ức chế tế bào ung thư đã được phát triển nhờ thành tựu giải mã hệ gene người. Nhờ giải mã hệ gene người, các oncogene (gene sản sinh protein kích thích tăng sinh tế bào tạo khối u) được phát hiện. Thuốc chứa tác nhân ức chế tyrosine kinase có khả năng nhận biết protein sinh ra bởi oncogene được sản xuất để điều trị ung thư. 

III. CÔNG NGHỆ DNA TÁI TỔ HỢP

1. Khái niệm công nghệ DNA tái tổ hợp

- DNA tái tổ hợp là phân tử DNA hình thành từ sự nối hai hay nhiều đoạn DNA cùng nguồn hoặc khác nguồn.

- Công nghệ DNA tái tổ hợp (công nghệ gene) là quy trình kĩ thuật dựa trên nguyên lí tái tổ hợp DNA và nguyên lí biểu hiệu gene, tạo ra các phân tử DNA tái tổ hợp và protein tái tổ hợp.

2. Nguyên lí của công nghệ DNA tái tổ hợp

Nguyên lí tái tổ hợp DNA:

- Sử dụng cùng loại enzyme giới hạn cắt đoạn DNA ngoại lai và vector, sau đó gắn đoạn DNA ngoại lai vào vector nhờ enzyme ligase để tạo vector tái tổ hợp trước khi đưa vào thể nhận.

- Kĩ thuật tái tổ hợp DNA bao gồm các bước: thu nhận đoạn DNA, ghép nối (gắn) đoạn DNA vào vector để tạo ra vector tái tổ hợp, biến nạp vector tái tổ hợp vào thể nhận.

- Vector tái tổ hợp là vector nhân dòng mang đoạn DNA ngoại lai có thể xâm nhập vào tế bào nhận và nhân lên độc lập hoặc cài đoạn DNA ngoại lai vào nhiễm sắc thể của tế bào nhận.

Nguyên lí biểu hiện gene:

- Đoạn DNA ngoại lại được gắn vào vector biểu hiện và đưa vào thể nhận, gene biểu hiện tạo ra các sản phẩm RNA hoặc protein tái tổ hợp.

- Kĩ thuật biểu hiện gene gồm các bước tương tự như kĩ thuật tái tổ hợp DNA, tuy nhiên cần cài đoạn DNA ngoại lai vào vector biểu hiện tạo thành vector tái tổ hợp. Trong đó, biểu hiện là vector chứa các trình tự điều hoà cho phép tạo sản phẩm phiên mã của gene ngoại lai, từ đó tạo ra được protein tái tổ hợp trong tế bào nhận.

3. Một số thành tựu của công nghệ DNA tái tổ hợp

- Mặc dù ra đời trong thời gian ngắn, công nghệ DNA tái tổ hợp được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống và đạt được nhiều thành tựu nổi bật.

- Công nghệ DNA tái tổ hợp được sử dụng để tạo các sinh vật chuyển gene mang các tính trạng tốt như có năng suất và giá trị dinh dưỡng cao, sức chống chịu tốt hơn với các yếu tố môi trường vô sinh cũng như hữu sinh bất lợi. 

- Công nghệ DNA tái tổ hợp giúp chuyển gene mã hoá insulin của người vào vi khuẩn E. coli. Vi khuẩn E. coli tái tổ hợp có thể sản xuất lượng lớn insulin dùng trong điều trị bệnh tiểu đường.

- Công nghệ DNA tái tổ hợp giúp sản xuất vaccine phòng bệnh viêm gan B, vaccine phòng bệnh do virus gây u nhú ở người (HPV), vaccine phòng bệnh COVID-19,... Một số loại kháng thể đơn dòng dùng điều trị giảm đau và sưng do viêm khớp, điều trị ung thư vú, ung thư hạch không Hodgkin, bệnh bạch cầu lympho mạn tính cũng được sản xuất nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp.

- Công nghệ DNA tái tổ hợp giúp chữa trị các rối loại di truyền. 

IV. THỰC VẬT VÀ ĐỘNG VẬT BIẾN ĐỔI GENE

Ở thực vật và động vật, đoạn DNA ngoại lai phải được đưa đến nhân tế bào và gắn vào phân tử DNA trên nhiễm sắc thể tạo nên DNA tái tổ hợp. Cơ thể thực vật, động vật mang gene chuyển được biểu hiện ra kiểu hình thành tính trạng phù hợp với các mục đích khác nhau, gọi là thực vật, động vật biến đổi gene.

1. Tạo thực vật biến đổi gene

Nguyên lí tạo thực vật biến đổi gene

- Tạo thực vật biến đổi gene thực hiện theo nguyên lí chung tạo sinh vật biến đổi gene.

- Đối với thực vật, vector tái tổ hợp thường được biến nạp vào vi khuẩn A. tumefaciens hoặc A. rhizogenesis, sau đó vi khuẩn Agrobacterium được cho lây nhiễm vào tế bào thực vật nhận gene (phương pháp chuyển gene gián tiếp).

- Vector tái tổ hợp cũng có thể được chuyển vào tế bào thực vật bằng phương pháp trực tiếp như súng bắn gene, xung điện, qua ống phấn,...

Thành tựu tạo thực vật biến đổi gene

- Tạo ra các loại cây trồng biến đổi gene có khả năng kháng sâu, bệnh, thuốc diệt cỏ. 

- Sản xuất vaccine dựa trên thực vật: Một số cây trồng như khoai tây, cà chua được chuyển gene mã hoá protein kháng nguyên của virus, từ đó sản phẩm được sử dụng trực tiếp hoặc làm nguyên liệu sản xuất vaccine.

- Thực vật chuyển gene được sử dụng để sản xuất các loại protein dùng trong công nghiệp hoặc y học. 

2. Tạo động vật biến đổi gene

- Tạo động vật biến đổi gene thực hiện theo nguyên lí chung tạo sinh vật biến đổi gene.

- Đối với động vật, vector tái tổ hợp mang gene ngoại lai được chuyển trực tiếp vào tế bào động vật nhận nhờ phương pháp vi tiêm hoặc gián tiếp nhờ vector có nguồn gốc từ virus, tế bào trứng, tinh trùng, tế bào gốc phôi.

- Ở động vật có vú, trứng ở giai đoạn tiền nhân thích hợp nhất với sự biến nạp. Phôi mang gene ngoại lai sẽ được đưa vào tử cung của con vật mang thai hộ, từ đó sinh ra cá thể động vật chuyển gene.

Thành tựu tạo động vật biến đổi gene

- Tạo ra một số động vật biến đổi gene có một số tính trạng mong muốn như tốc độ sinh trưởng nhanh, sữa có hàm lượng β-lactoglobulin cao.

- Sử dụng động vật chuyển gene để sản xuất một số hợp chất phục vụ cho y học.

- Sử dụng các động vật mang DNA tái tổ hợp làm mô hình nghiên cứu một số bệnh ở người. 

V. SẢN XUẤT, SỬ DỤNG SẢN PHẨM BIẾN ĐỔI GENE VÀ ĐẠO ĐỨC SINH HỌC

- Các sản phẩm từ các giống vi sinh vật, cây trồng, vật nuôi biến đổi gene ngày càng xuất hiện nhiều trong các lĩnh vực của đời sống, cung cấp lương thực, thực phẩm, dược phẩm,...

- Trong trồng trọt, diện tích cây trồng biển đổi gene đã tăng từ 1,7 triệu ha (năm 1996) đến 185,6 triệu ha (năm 2020). Tuy nhiên, việc phát triển các sản phẩm biến đổi gene luôn là một đề tài gây tranh luận và cần được phản biện hết sức thận trọng. Các sinh vật biến đổi gene và sản phẩm có nhiều lợi ích nhưng cũng có nhiều nguy cơ đối với con người và môi trường.

- Sinh vật biến đổi gene và sản phẩm của chúng có nhiều lợi ích nhưng luôn tiềm ẩn các rủi ro mà con người chưa đánh giá hết được. Vì vậy, cần tuân thủ đầy đủ các quy tắc đạo đức cũng như quy định của pháp luật trong nghiên cứu về sinh vật biến đổi gene, sản xuất và sử dụng sản phẩm biến đổi gene.

- Việc tuân thủ đạo đức sinh học là hết sức cần thiết trong thời đại ngày nay khi mà các lĩnh vực của khoa học sự sống và ứng dụng đang ngày càng có những bước tiến triển vượt bậc, đặc biệt là công nghệ sinh học.