Hệ gene, công nghệ gene và ứng dụng SVIP

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, lục lạp (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.

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

- Năm 1990: Khởi động dự án giải trình tự hệ gene người.

- Năm 2000: Hoàn thành giải trình tự hệ gene người lần đầu (90% hệ gene được xác định).

- Năm 2001: Chính thức công bố hệ gene người.

- Năm 2003: Kết thúc dự án (92% hệ gene được xác định).

- Năm 2022: Vùng telomere được xác định (100% hệ gene được xác định).

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

Nghiên cứu tiến hoá

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

Ví dụ: So sánh thông tin từ hệ gene người hiện đại với các hệ gene người cổ cho thấy mối quan hệ họ hàng giữa người hiện đại với người Neanderthal, Denisovans, H. heidelbergensis, H. ecratus,...

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.

Ví dụ: Đột biến gene mã hoá enzyme adenosine deaminase (ADA) làm tế bào miễn dịch không sinh ra được enzyme ADA, dẫn tới suy giảm miễn dịch. Liệu pháp gene được sử dụng để đưa gene lành mã hoá ADA vào cơ thể người bệnh giúp tế bào miễn dịch hoạt động bình thường.

- 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.

Ví dụ: Qua sàng lọc di truyền từ hệ gene người, đột biến gene (HbA thành HbS) gây bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm được phát hiện. Người mang gene đột biến sẽ được tư vấn các thông tin về bệnh, khả năng mắc bệnh ở thế hệ sau, từ đó, người mang gene bệnh đưa ra các quyết định kết hôn, sinh con phù hợp.

- 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.

Ví dụ: Thuốc điều trị ung thư máu (bệnh bạch cầu kinh dòng tuỷ).

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 hiện 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 (restriction endonuclease xúc tác cắt DNA tại những vị trí nhận biết đặc hiệu) 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 tế bào 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 tế bào 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 lai được gắn vào vector biểu hiện và đưa vào tế bào 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, vector 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 protein tái tổ hợp trong tế bào nhận.

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

- 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.

Ví dụ: Giống ngô NK66Bt/GT là giống được chuyển gene Bt và gene GT nên có khả năng kháng sâu đục thân và kháng thuốc diệt cỏ.

- 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.

- Sản xuất vaccine phòng bệnh và một số loại kháng thể đơn dòng.

Ví dụ: Vaccine phòng bệnh viêm gan B, vaccine phòng bệnh COVID-19; kháng thể đơn dòng dùng điều trị giảm đau và sưng do viêm khớp, điều trị ung thư vú.

- Chữa trị các rối loạn di truyền.

Ví dụ: Bệnh suy giảm miễn dịch thể kết hợp trầm trọng (SCID) do đột biến gene mã hóa enzyme adenosine deaminase (ADA) được chữa khỏi bằng cách đưa gene lành vào cơ thể người bệnh nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp.

IV. Thực vật và động vật biến đổi gene

1. Tạo thực vật biến đổi gene

Nguyên lí tạo thực vật biến đổi gene

- 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.

Ví dụ: Giống bông Bt biến đổi gene có khả năng tạo ra độc tố Bt và kháng một số loại sâu, giống đậu tương chuyển gene ZD91 có hàm lượng methionine cao, giống lúa Golden rice 2 có hàm lượng β-carotene và protein cao,...

- 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.

Ví dụ: Cây trồng biến đổi gene sản xuất insulin (ngô, xà lách, thuốc lá) hay kháng thể (xà lách) dùng điều trị bệnh ở người.

2. Tạo động vật biến đổi gene

Nguyên lí tạo động vật biến đổi gene

- 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 (retrovirus, lentivirus,...), tế bào trứng, tinh trùng, tế bào gốc phôi.

- Ở động vật có vú, trứng ở giai đoạn tiền nhân (trứng đã thụ tinh nhưng nhân tinh trùng chưa kết hợp với nhân trứng) 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 biến đổi 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.

Ví dụ: Cá hồi được chuyển gene mã hoá hormone sinh trưởng, cừu được chuyển gene mã hoá hormone sinh trưởng, bò được chuyển gene β-lactoglobulin.

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

Ví dụ: Bò được chuyển gene mã hoá fibrinogen, chuột được chuyển gene mã hoá albumin huyết thanh của người.

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

Ví dụ: Dùng chuột được chuyển gene APP của người để nghiên cứu bệnh Alzheimer,...

V. Sản xuất, sử dụng sản phẩm biến đổi gene và đạo đức sinh học

- Lợi ích của sinh vật biến đổi gene và sản phẩm biến đổi gene:

• Giống vật nuôi, cây trồng có tính trạng tốt.
• Giúp đảm bảo an ninh lương thực, thực phẩm.
• Nâng cao giá trị dinh dưỡng của thực phẩm.
• Cung cấp các hoạt chất, vaccine dùng trong y, dược học.
• Giảm sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ.
• Giảm nguy cơ dị ứng từ các hợp chất tự nhiên.
• Tăng khả năng làm sạch môi trường của sinh vật.

- Nguy cơ/rủi ro của sinh vật biến đổi gene và sản phẩm biến đổi gene:

• Có nguy cơ tiềm ẩn gây hại sức khoẻ người sử dụng.
• Có nguy cơ phát tán gene không mong muốn.
• Tăng khả năng kháng kháng sinh.
• Có thể kích hoạt phản ứng miễn dịch và dị ứng.
• Gây suy giảm đa dạng sinh học.
• Có nguy cơ gây hại 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.

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

2. Hệ gene người bắt đầu được giải trình tự năm 1990 và đến năm 2022 hệ gene hoàn chỉnh của người được giải mã thành công. Việc giải mã thành công hệ gene người có rất nhiều ứng dụng trong cung cấp thông tin di truyền, bảo vệ sức khoẻ con người.

3. Công nghệ DNA tái tổ hợp 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.

4. Công nghệ DNA tái tổ hợp đạt được nhiều thành tựu trong chọn tạo giống, phục vụ sản xuất công nghiệp và y học.

5. 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 gọi là thực vật, động vật biến đổi gene.

6. Sinh vật biến đổi gene và sản phẩm của chúng có nhiều lợi ích nhưng cũng tồn tại nhiều nguy cơ. Cần tuân thủ đạo đức sinh học trong nghiên cứu, sản xuất và sử dụng sinh vật biến đổi gene.