Lý thuyết trọng tâm

Công nghệ gene là gì?

• Công nghệ gene là quy trình kĩ thuật thao tác trên phân tử DNA (tách chiết, nhân bản, cắt nối phân tử DNA) làm thay đổi kiểu gene và kiểu hình của sinh vật, nhằm tạo ra các sản phẩm của gene dùng trong thực tiễn.
• Công nghệ gene gồm hai mảng: công nghệ DNA tái tổ hợp và công nghệ tạo sinh vật biến đổi gene.

I. Công nghệ DNA tái tổ hợp

1. Khái niệm

• Công nghệ DNA tái tổ hợp là quy trình kĩ thuật tạo ra phân tử DNA từ hai nguồn khác nhau (thường từ hai loài) rồi chuyển vào tế bào nhận.
• DNA tái tổ hợp gồm: một gene (gene chuyển) và DNA dùng làm vector.
• Đoạn DNA làm vector phải đáp ứng hai yêu cầu:
  • Có khả năng tái bản trong tế bào nhận.
  • Đảm bảo cho gene chuyển được phiên mã và dịch mã tạo ra sản phẩm protein trong tế bào nhận.

2. Nguyên lí

Nguyên lí là sử dụng các kĩ thuật di truyền: tách chiết gene, nhân bản gene, cắt và ghép nối các đoạn DNA, sao cho gene khi đưa vào tế bào nhận tạo ra được sản phẩm có chức năng. Các bước cơ bản (chuyển gene vào vi khuẩn):

• Tách gene chuyển và plasmid (vector) ra khỏi tế bào.
• Dùng enzyme cắt giới hạn (restrictase) cắt cả gene chuyển và plasmid → tạo các đầu dính có thể bắt cặp bổ sung.
• Các đầu dính bắt cặp bổ sung; enzyme ligase nối lại → tạo nên DNA tái tổ hợp (plasmid tái tổ hợp).
• Chuyển DNA tái tổ hợp vào vi khuẩn → vi khuẩn mang plasmid tái tổ hợp nhân lên và tạo ra protein từ gene chuyển.

Hai enzyme then chốt: restrictase (cắt DNA tại vị trí đặc hiệu) và ligase (nối các đoạn DNA).

3. Một số thành tựu

• Dược phẩm: Năm 1979, công ti Eli Lilly sản xuất insulin người nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp. Gene insulin của người được tách chiết, loại bỏ intron, gắn vào plasmid rồi chuyển vào vi khuẩn; vi khuẩn tạo ra insulin, sau đó được tách chiết và xử lí hóa học để tạo insulin có chức năng.
• Công nghiệp và bảo vệ môi trường: vi sinh vật biến đổi gene dùng để sản xuất ethanol, xử lí nước thải, xử lí hóa chất độc, tách kim loại nặng, tăng cường thu hồi dầu…
• Nông nghiệp: một số vi khuẩn biến đổi gene giúp cây trồng tăng hấp thụ nitrogen, ức chế vi khuẩn và nấm gây bệnh.

Lưu ý (vì sao phải loại bỏ intron): Gene của sinh vật nhân thực thường có intron, nhưng vi khuẩn không có khả năng cắt intron – nối exon. Vì vậy, muốn vi khuẩn tạo ra protein người có chức năng, gene chuyển phải là gene đã loại bỏ intron (chỉ chứa exon). Nếu chuyển gene người còn nguyên intron vào vi khuẩn thì protein tạo ra sẽ không có chức năng.

II. Công nghệ tạo thực vật và động vật biến đổi gene

1. Khái niệm sinh vật biến đổi gene

• Sinh vật biến đổi gene là sinh vật có hệ gene đã được biến đổi, chủ yếu là có thêm gene mới từ loài khác.
• Động vật, thực vật có thêm gene từ loài khác còn gọi là động vật, thực vật chuyển gene.
• Mục đích: tạo ra sinh vật có các đặc điểm khác thường chưa từng tồn tại trong tự nhiên, phục vụ nhu cầu của con người.

2. Nguyên lí tạo động vật và thực vật biến đổi gene

Cả hai đều dựa trên công nghệ DNA tái tổ hợp, nhưng cần thêm công nghệ thích hợp cho từng đối tượng.

a) Tạo động vật biến đổi gene

• Dùng trứng vừa mới thụ tinh làm tế bào nhận; dùng kim tiêm bơm hàng trăm bản sao gene chuyển vào trứng (thời điểm thích hợp là khi nhân tinh trùng và nhân trứng chưa hòa nhập).
• Gene chuyển tích hợp ngẫu nhiên vào hệ gene của tinh trùng hoặc của trứng. Hợp tử chuyển gene được nuôi thành phôi rồi cấy vào tử cung “mẹ nuôi” để sinh ra con vật chuyển gene.
• Ngoài DNA tái tổ hợp, cần thêm công nghệ thụ tinh nhân tạo.

b) Tạo thực vật biến đổi gene

• Dựa trên công nghệ DNA tái tổ hợp giống như ở vi khuẩn. Vì tế bào thực vật có thành tế bào nên chuyển DNA tái tổ hợp bằng súng bắn gene (bắn các hạt vàng/wolfram bọc DNA) hoặc dùng virus.
• Tế bào chuyển gene sau đó được nuôi cấy tái sinh thành cây chuyển gene.
• Ngoài DNA tái tổ hợp, cần thêm công nghệ nuôi cấy tế bào.

3. Một số thành tựu

• Thực vật: giống “lúa vàng” có thêm gene tổng hợp tiền chất của vitamin A (chống thiếu vitamin A); giống bông chuyển gene mang gene từ vi khuẩn tạo độc tố diệt sâu hại nên không cần thuốc trừ sâu hóa học.
• Động vật: cừu chuyển gene tạo protein antithrombin của người (tiết vào sữa, dễ tách chiết làm thuốc chống đông máu); cá hồi chuyển gene mang gene hormone sinh trưởng có tốc độ lớn nhanh hơn.
• Quan ngại: nguy cơ phát tán gene chuyển ra tự nhiên (ví dụ tạo “siêu cỏ dại” kháng thuốc diệt cỏ); ảnh hưởng sức khỏe lâu dài (dị ứng…) nên nhiều nước yêu cầu ghi rõ trên bao bì là thực phẩm biến đổi gene; vấn đề đạo đức sinh học: chỉnh sửa hệ gene người bị xem là vi phạm đạo đức và đang bị cấm nghiên cứu ở nhiều quốc gia.

Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Giải thích điều kiện để gene chuyển biểu hiện được sản phẩm có chức năng trong tế bào nhận

Cách làm: Muốn gene chuyển tạo ra protein có chức năng trong tế bào nhận, cần xét hai điều kiện:

• Vector phải tự tái bản được và có trình tự đảm bảo gene chuyển được phiên mã, dịch mã.
• Nếu chuyển gene của sinh vật nhân thực (có intron) vào vi khuẩn (nhân sơ): vi khuẩn không cắt được intron, nên phải loại bỏ intron (chỉ giữ exon) thì protein mới có chức năng.

Ví dụ 1. Nếu tách một gene của người khỏi hệ gene rồi gắn vào plasmid tạo DNA tái tổ hợp, sau đó chuyển vào tế bào vi khuẩn E. coli thì vi khuẩn có tạo ra được protein của gene người có chức năng hay không? Giải thích.

→ Không, nếu gene người vẫn còn intron. Vi khuẩn (nhân sơ) không có hệ enzyme cắt intron – nối exon, mà gene người (nhân thực) thường có intron, nên protein tạo ra sẽ sai, không có chức năng. Muốn thành công, phải loại bỏ intron trước (chỉ giữ exon) rồi mới gắn vào plasmid — đúng như cách làm với gene insulin.

Ví dụ 2. Vì sao khi sản xuất insulin người bằng vi khuẩn, người ta phải loại bỏ intron của gene insulin trước khi gắn vào plasmid?

→ Vì vi khuẩn không cắt được intron. Nếu giữ intron, mRNA và chuỗi polypeptide tạo ra sẽ sai → không phải insulin có chức năng. Loại bỏ intron (chỉ giữ exon) giúp vi khuẩn tạo đúng chuỗi polypeptide của insulin.

Ví dụ 3. Một nhà khoa học gắn gene chuyển vào một đoạn DNA không có khả năng tự tái bản trong tế bào vi khuẩn rồi đưa vào vi khuẩn. Dự đoán khả năng thu được nhiều sản phẩm của gene chuyển.

→ Khó thu được nhiều sản phẩm, vì vector phải tự tái bản được thì gene chuyển mới được nhân lên cùng tế bào qua các thế hệ; vector không tái bản được sẽ khiến gene chuyển bị mất dần khi vi khuẩn phân chia.

Dạng 2: Xác định, sắp xếp đúng trình tự các bước của quy trình tạo DNA tái tổ hợp / sinh vật chuyển gene

Cách làm: Nắm chắc thứ tự logic của quy trình. Tạo DNA tái tổ hợp và chuyển vào vi khuẩn gồm: (1) tách gene chuyển và vector → (2) dùng restrictase cắt tạo đầu dính → (3) dùng ligase nối gene chuyển với vector tạo DNA tái tổ hợp → (4) chuyển vào tế bào nhận → (5) tế bào nhận nhân lên và tạo sản phẩm của gene chuyển.

Ví dụ 1. Cho các bước sau, hãy sắp xếp đúng trình tự tạo DNA tái tổ hợp rồi chuyển vào vi khuẩn: (a) Dùng ligase nối gene chuyển với plasmid; (b) Tách gene chuyển và plasmid ra khỏi tế bào; (c) Chuyển DNA tái tổ hợp vào vi khuẩn; (d) Dùng restrictase cắt gene chuyển và plasmid tạo đầu dính.

→ Trình tự đúng: (b) → (d) → (a) → (c).

Ví dụ 2. Sắp xếp đúng trình tự các bước trong quy trình tạo cừu biến đổi gene: (a) Cấy phôi vào tử cung cừu “mẹ nuôi”; (b) Bơm gene chuyển vào trứng vừa mới thụ tinh; (c) Sàng lọc cá thể con mang gene chuyển và lai để tạo cá thể đồng hợp; (d) Nuôi hợp tử chuyển gene thành phôi.

→ Trình tự đúng: (b) → (d) → (a) → (c).

Sai lầm thường gặp

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú