Công nghệ gene là gì? Công nghệ DNA tái tổ hợp là gì? Cách tạo thực vật và động vật biến đổi gene?

*Công nghệ gene là các quy trình kĩ thuật liên quan đến việc nghiên cứu về sự biểu hiện gene, chỉnh sửa gene và chuyển gene, từ đó, có thể tạo ra các tế bào, cơ thể sinh vật có hệ gene biểu hiện những tính trạng mong muốn.

Hiện nay, công nghệ gene đang được sử dụng phổ biến là công nghệ DNA tái tổ hợp.

Công nghệ DNA tái tổ hợp

* Khái niệm:

- Công nghệ DNA tái tổ hợp là quy trình kĩ thuật dựa trên nguyên lí tái tổ hợp DNA và biểu hiện gene, tạo ra sản phẩm là DNA tái tổ hợp và protein tái tổ hợp với số lượng lớn phục vụ cho đời sống con người.

- DNA tái tổ hợp có thể được lưu trữ trong thư viện gene hoặc cDNA (DNA bổ sung).

- Vai trò: đóng vài trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tạo protein tái tổ hợp phục vụ cho y học hoặc xử lí ô nhiễm môi trường, nghiên cứu chức năng của gene....

* Nguyên lí của công nghệ DNA tái tổ hợp

Công nghệ DNA tái tổ hợp được thực hiện dựa trên:

(1) Nguyên lí tái 1 tổ hợp DNA là sự dung hợp giữa hai hay nhiều đoạn DNA gần với nhau tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp

(2) Nguyên lí biểu hiện gene là thông tin mã hoá trình tự amino acid trên gene được biểu hiện thành protein trong tế bào sống thông qua cơ chế phiên mã và dịch mã. 

Quy trình công nghệ DNA tái tổ hợp gồm ba bước:

(1) Tách dòng và tạo DNA tái tổ hợp

- Nguyên liệu được sử dụng trong bước này là đoạn DNA hoặc gene mã hoá protein mong muốn được phân lập từ mô sống hoặc tổng hợp nhân tạo.

- Trong tách dòng và tạo DNA tái tổ hợp, các nhà khoa học có thể dùng vector tách dòng từ nhiều nguồn khác nhau như: plasmid từ vi khuẩn, DNA của virus (phage), nhiễm sắc thể nhân tạo ở nấm men.... Trong đó, plasmid là loại vector được sử dụng phố biến. 

- Để tạo DNA tái tổ hợp, các nhà khoa học đã sử dụng các loại enzyme: 

+ Enzyme cắt giới hạn (restrictase): có khả năng cất hai mạch của phân tử DNA của tế bào cho và tế bào nhận tại các trình tự nucleotide xác định (vị trí nhận biết) tạo nên các đầu dính có trình tự nucleotide bổ sung, tạo điều kiện cho việc bắt cặp giữa hai đoạn DNA với nhau.

+ Enzyme nói (ligase): có chức năng xúc tác hình thành liên kết phosphodiester nổi hai đoạn DNA với nhau.

- Sau khi được tạo thành, DNA tái tổ hợp sẽ được chuyển vào tế bào nhận như E. coli, B. subtilis, S. cerevisiae, A. oryzae,... Có hai phương pháp được sử dụng để chuyển DNA tái tổ hợp vào tế bào chủ:

+ Phương pháp biến nạp: dùng muối CaCl, hoặc xung điện đề làm dân màng sinh chất của tế bào, tạo điều kiện cho DNA tái tổ hợp xâm nhập vào tế bào.

+ Phương pháp tải nạp: cho thế thực khuẩn (virus xâm nhiễm vi khuẩn) mang gene cần chuyển xâm nhập vào tế bào vật chủ.

(2) Biểu hiện gene và phân tích biểu hiện gene

- Để gene chuyến có thể biểu hiện trong tế bào chủ, các nhà khoa học sử dụng vector biểu hiện gene (vector được bổ sung vùng promoter nhằm biểu hiện gene tạo protein tái tổ hợp) trong quy trình tạo DNA tái tổ hợp. Tế bào chủ mang DNA tái tổ hợp được nuôi cấy trong môi trường thích hợp nhằm tạo điều kiện cho gene chuyến được biểu hiện.

- Để nhận biết được tế bào vi khuẩn nào có chứa DNA tái tổ hợp, có thể phân tích sự có mặt và hợp nhất của gene chuyển trong tế bào chủ bằng kĩ thuật PCR hoặc lai phân tử. Sau quá trình biểu hiện gene, protein tái tổ hợp được tách chiết từ các dòng tế bào chủ và được kiểm tra bằng phương pháp điện di

(3) Sản xuất protein tái tổ hợp

- Sau khi được thu nhận, người ta tiến hành đánh giá chất lượng protein tái tổ hợp về đặc tính và chức năng so với protein tự nhiên. Cuối cùng, protein tái tổ hợp được đưa vào sản xuất ở các quy mô công nghệ khác nhau (quy mô phòng thi nghiệm, quy mô công nghiệp,…)

* Một số thành tựu

- Công nghệ DNA tái tổ hợp đã tạo được các dòng vi sinh vật tái tổ hợp ứng dụng để sản xuất các sản phẩm như chế phẩm sinh học và thuốc chữa bệnh, xử lí chất thải, chẩn đoán bệnh di truyền, định danh và xác định quan hệ họ hàng giữa các loài sinh vật,... 

→ Ứng dụng công nghệ DNA tái tổ hợp giúp tiết kiệm được chi phí cũng như phù hợp với các nguyên lí về đạo đức sinh học trong việc sử dụng sinh vật để nghiên cứu, sản xuất

Tạo thực vật và động vật biến đổi gene

* Khái niệm

- Sinh vật biến đổi gene (sinh vật chuyển gene) là các sinh vật chứa gene ngoại lai (gene có nguồn gốc từ một cá thể khác, có thể cùng loài hoặc khác loài) trong hệ gene, gene ngoại lai có thể gắn vào những vị trí khác nhau trên nhiễm sắc thể. 

- Ở sinh vật biến đổi gene, gene chuyến phải có mặt trong tất cả các tế bào của cơ thể, được biểu hiện thành protein tái tổ hợp có chức năng sinh học và được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.

- Để tạo sinh vật biến đổi gene, người ta áp dụng kĩ thuật chuyển gene. Chuyến gene (biến nạp di truyền) là kĩ thuật biến nạp DNA tái tổ hợp mang gene ngoại lai vào dòng tế bào mô chủ, sau đó cho dòng tế bào mô chủ tái sinh thành sinh vật biến đối gene.

* Nguyên lí

- Quy trình tạo thực vật và động vật biến đổi gene ngoài việc dựa trên nguyên lí chung của công nghệ gene còn có những nguyên lí đặc trưng.

- Để chuyến gene vào cơ thể thực vật: vector được sử dụng phố biến là Ti plasmid (đã làm mất khả năng gây bệnh), một phân tử DNA vòng tương đối lớn có nguồn gốc từ vi khuẩn đất Agrobacterium tumefaciens. Trên plasmid của vi khuẩn này có một đoạn T-DNA (Transfer DNA, chứa các gene tạo khối u của vi khuẩn) có thể gần với DNA của tế bào chủ. Bên cạnh đó, để chuyến gene vào thực vật có thể dùng súng bắn gene, chuyển gene trực tiếp qua ống phần, vi tiêm ở tế bào trần, dùng virus....

 Việc chuyến plasmid tái tổ hợp vào tế bào thực vật có thể tiến hành theo hai phương pháp:

(1) biến nạp vào tế bào thực vật nuôi cấy nhờ xung điện

(2) chuyến plasmid tái tổ hợp vào trở lại vi khuẩn A. tumefaciens rồi cho vi khuẩn lây nhiễm vào tế bào thực vật nuôi cấy hoặc trực tiếp vào cây.

- Trong chuyến gene ở động vật: người ta có thể dùng phương pháp vi tiêm hoặc sử dụng virus, tế bào trứng, tinh trùng, tế bào gốc phôi,... như một loại vector để chuyển gene. Ở động vật, việc chuyến gene có thể tiến hành ở tế bào soma hoặc tế bào sinh dục, tuy nhiên, hiện nay chỉ mới áp dụng ở tế bào soma vì chuyến gene vào tế bào sinh dục có thể ảnh hưởng đến khả năng sinh sản.

Để xác định sự có mặt của gene chuyền, người ta tiến hành phân tích sinh vật chuyển gene. Các cơ thể chuyển gene được chọn lọc nhờ sử dụng các kĩ thuật như PCR, lai phân tử,... 

Ví dụ: Bò con mang gene chuyển được kiểm tra sự có mặt của gene chuyển bằng PCR và sự hợp nhất của gene chuyến vào hệ gene bằng lai phân tử.

* Một số thành tựu

- Nhờ kĩ thuật chuyển gene, con người đã đưa vào sản xuất nhiều giống thực vật và động vật biến đổi gene mang những tính trạng có giá trị như tăng khả năng kháng bệnh, chống chịu với các điều kiện bất lợi; có năng suất và chất lượng sản phẩm cao; có thể sản xuất các loại thuốc chữa bệnh cho con người.

 Ví dụ:

+ Ở thực vật: Tạo giống cà chua chuyển gene kháng virus, giống lúa vàng chuyển gene tổng hợp ẞ-carotene, sâm đất chuyển gene sản xuất nhóm chất flavonoid được dùng để điều trị bệnh....

+ Ở động vật: Tạo giống cừu chuyển gene tổng hợp được huyết thanh và a-1-antitrypsin (một loại protein có chức năng bảo vệ phối khỏi sự tác động của enzyme) ở người chữa bệnh khí thủng phối (emphysema); dê chuyển gene sản xuất sữa chứa protein CFTR chữa bệnh u xơ nang,...