1. Khái niệm và đối tượng
Công nghệ di truyền là tập hợp các phương pháp được dùng để tách một hoặc một số gene ra khỏi tế bào, rồi đưa gene đó vào một tế bào khác (cùng loài hoặc khác loài) với mục đích tạo ra sinh vật mang đặc tính mới có lợi cho con người.
Sinh vật biến đổi gene (viết tắt GMO) là sinh vật chứa một hoặc một số gene thu được thông qua công nghệ di truyền.
- Gene quan tâm thường là gene mã hoá cho sản phẩm có giá trị như insulin, hormone tăng trưởng, enzyme, protein kháng sâu.
- Gene cần chuyển có thể được tách từ hệ gene của sinh vật, tổng hợp từ mRNA (cDNA) hoặc tổng hợp nhân tạo.
2. Quy trình công nghệ di truyền
- 1.Tạo gene: tách, khuếch đại hoặc tổng hợp gene quan tâm.
- 2.Chọn vector chuyển gene và kết nối gene vào vector.
- 3.Đưa vector chứa gene vào tế bào chủ.
- 4.Chọn lọc tế bào chủ mang gene, nuôi cấy và tạo cơ thể sinh vật.
2.1 Bước 1. Tạo gene
- Tách gene: ly giải tế bào, chiết xuất DNA tổng, khuếch đại đoạn gene mong muốn bằng kĩ thuật PCR.
- Gene cDNA: tách mRNA trưởng thành, dùng enzyme phiên mã ngược để tạo cDNA rồi khuếch đại. cDNA không có intron nên vi khuẩn biểu hiện được gene của sinh vật nhân thực.
- Gene tổng hợp: tổng hợp nhân tạo (hoá học) đoạn DNA theo trình tự nucleotide đã biết.
2.2 Bước 2. Kết nối gene với vector chuyển gene
Vector chuyển gene (véc-tơ chuyển gene) là phân tử DNA có khả năng nhân bản trong tế bào chủ và mang được gene cần chuyển. Vector thường gặp là plasmid vi khuẩn hoặc virus.
- Plasmid là DNA vòng nằm ngoài nhiễm sắc thể, có khả năng tự tái bản độc lập. Plasmid dùng làm vector cần có vị trí cắt của enzyme giới hạn, mang gene đánh dấu và tự tái bản được trong tế bào chủ.
- Virus có khả năng tự nhiên xâm nhập vào tế bào chủ nhưng phải được xử lí để bất hoạt các gene gây bệnh.
- Gene đánh dấu thường là gene kháng kháng sinh hoặc gene sinh enzyme đặc hiệu, giúp nhận biết tế bào đã nhận vector trên môi trường chọn lọc.
- Enzyme giới hạn (restrictase) nhận biết và cắt DNA tại những trình tự nucleotide đặc hiệu. Dùng cùng một enzyme giới hạn cắt gene và vector sẽ tạo các đầu dính bổ sung, giúp gene ghép được vào vector.
- Enzyme nối (DNA ligase) tạo liên kết phosphodiester nối gene vào vector, thu được DNA tái tổ hợp.
2.3 Bước 3. Đưa gene vào tế bào chủ
| Phương pháp | Nguyên lí | Đối tượng |
|---|---|---|
| Biến nạp bằng và sốc nhiệt | Muối kết hợp sốc nhiệt làm màng tăng tính thấm, DNA tái tổ hợp đi vào tế bào | Vi khuẩn |
| Xung điện | Dùng xung điện tạo lỗ tạm thời trên màng tế bào để DNA đi vào | Vi khuẩn, nấm men, tế bào thực vật, động vật |
| Súng bắn gene | Bắn các hạt kim loại (vàng, tungsten) bọc DNA vào tế bào | Thực vật |
| Trung gian Agrobacterium tumefaciens | Dùng vi khuẩn có plasmid Ti (đã được biến đổi để mang gene quan tâm) lây nhiễm mô thực vật | Thực vật |
| Vi tiêm | Tiêm trực tiếp DNA vào nhân hợp tử (trứng đã thụ tinh) | Động vật |
Hãy nêu quy trình tạo vi khuẩn E. coli sản xuất hormone insulin người.
Lời giải
Thực hiện lần lượt các bước sau:
- 1.Tạo gene insulin người: tổng hợp cDNA từ mRNA (không chứa intron) hoặc tổng hợp nhân tạo.
- 2.Cắt gene insulin và plasmid vector bằng cùng một enzyme giới hạn, rồi nối bằng DNA ligase.
- 3.Đưa plasmid tái tổ hợp vào tế bào E. coli ( và sốc nhiệt, hoặc xung điện).
- 4.Gieo E. coli lên môi trường có kháng sinh tương ứng; chỉ tế bào mang plasmid chứa gene kháng kháng sinh mới sống được; kiểm tra để chọn dòng mang gene insulin, rồi nuôi cấy để thu insulin.
2.4 Bước 4. Chọn lọc tế bào chủ mang gene
- Chọn lọc theo gene đánh dấu: nuôi cấy tế bào trên môi trường chứa kháng sinh; tế bào không nhận vector sẽ chết.
- Xác minh gene: dùng PCR để phát hiện đoạn gene; ELISA hoặc thẩm tách (blotting) để kiểm tra sản phẩm protein.
- Sau khi chọn được tế bào, nuôi cấy hoặc dùng kĩ thuật nuôi cấy mô để tạo cơ thể hoàn chỉnh, thường áp dụng ở thực vật.
3. Ứng dụng của công nghệ di truyền
- Trong y học: sản xuất insulin, hormone tăng trưởng, interferon, vaccine; liệu pháp gene để điều trị các bệnh di truyền do đột biến gene, trong đó có bệnh do gene lặn.
- Trong nông nghiệp: tạo cây trồng biến đổi gene kháng sâu (ví dụ bông mang gene mã hoá protein độc tố của vi khuẩn Bacillus thuringiensis), kháng thuốc diệt cỏ, chịu điều kiện bất lợi; cải thiện giá trị dinh dưỡng.
- Trong chăn nuôi và thuỷ sản: gia súc cho nhiều sữa, sinh vật thuỷ sản sinh trưởng nhanh, kháng bệnh.
- Trong môi trường: dùng vi sinh vật biến đổi gene phân hủy dầu loang, xử lí chất thải độc hại.
4. Rủi ro và biện pháp đảm bảo an toàn sinh học
- Rủi ro về sức khỏe: sản phẩm có thể gây dị ứng; gene kháng kháng sinh có thể lây lan sang vi sinh vật gây bệnh.
- Rủi ro về môi trường: gene biến đổi có thể thoát ra ngoài, ảnh hưởng loài hoang dã và làm giảm đa dạng sinh học.
- Rủi ro về đạo đức: lo ngại đối với quyền động vật, tính riêng tư di truyền.
Biện pháp đảm bảo an toàn:
- Đánh giá an toàn sinh học trước khi cho phóng thích ra môi trường.
- Tuân thủ quy định pháp luật; ghi nhãn sản phẩm GMO để người tiêu dùng lựa chọn.
- Giám sát sau phóng thích, kịp thời xử lí các tác động bất lợi.
5. So sánh công nghệ di truyền với lai truyền thống
| Tiêu chí | Lai truyền thống | Công nghệ di truyền |
|---|---|---|
| Phạm vi gene | Chỉ trong cùng loài hoặc gần loài | Có thể chuyển gene giữa các loài khác nhau |
| Nguồn gene | Chỉ dùng các gene đã có trong quần thể | Có thể dùng gene tổng hợp, gene nhân tạo |
| Tính định hướng | Ngẫu nhiên, phụ thuộc tái tổ hợp và chọn lọc qua nhiều thế hệ | Chủ động chuyển đúng gene quan tâm, thời gian ngắn |
| Rào cản sinh sản | Bị giới hạn bởi mức độ cách li sinh học | Không bị giới hạn bởi cách li sinh sản |
Nêu trình tự bốn bước của quy trình công nghệ di truyền. Vì sao vector plasmid cần có gene đánh dấu?
Gợi ý trả lời
Bốn bước lần lượt là: tạo gene, kết nối gene với vector, đưa gene vào tế bào chủ, chọn lọc tế bào mang gene. Gene đánh dấu giúp phân biệt tế bào chủ đã nhận vector với tế bào không nhận vector trên môi trường chọn lọc, thuận lợi thu nhận dòng mang gene quan tâm.
Một nhà khoa học muốn tạo cây lúa biến đổi gene kháng sâu. Hãy đề xuất phương pháp đưa gene vào tế bào lúa và giải thích lựa chọn đó.
Gợi ý trả lời
Có thể dùng súng bắn gene hoặc phương pháp trung gian Agrobacterium tumefaciens. Súng bắn gene đưa DNA trực tiếp vào tế bào, không phụ thuộc khả năng lây nhiễm của vi khuẩn nên phù hợp với cây một lá mầm như lúa; Agrobacterium lây nhiễm tự nhiên vào mô thực vật, chuyển gene hiệu quả (tốt nhất ở cây hai lá mầm, nay đã cải tiến dùng được cho lúa). Sau đó nuôi cấy mô để tạo cây hoàn chỉnh.
Nếu dùng gene kháng kháng sinh làm gene đánh dấu trong cây trồng biến đổi gene thì tồn tại nguy cơ gene kháng kháng sinh lây sang hệ vi sinh đường ruột hoặc mầm bệnh, do đó cần chọn kĩ gene đánh dấu hoặc loại bỏ gene đánh dấu sau khi chọn lọc.