Lý thuyết Công nghệ di truyền (Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 5)

Với tóm tắt lý thuyết Sinh 12 Bài 5: Công nghệ di truyền hay nhất, ngắn gọn sẽ giúp học sinh lớp 12 nắm vững kiến thức trọng tâm, ôn luyện để học tốt môn Sinh học 12.

Lý thuyết Công nghệ di truyền (Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 5)

TRẮC NGHIỆM ONLINE

- 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 sử dụng trong thực tiễn.

Công nghệ gene

- Công nghệ gene gồm 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

- 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.

Công nghệ DNA tái tổ hợp

- DNA tái tổ hợp gồm một gene (gene chuyển) và DNA dùng làm vector. Đoạn DNA làm vector phải có khả năng tái bản cũng như đảm bảo cho gene chuyển được phiên mã và dịch mã tạo ra sản phẩm protein của gene chuyển trong tế bào nhận.

Sự hình DNA tái tổ hợp

2. Nguyên lí

- Nguyên lí tạo DNA tái tổ hợp là sử dụng các kĩ thuật di truyền tách chiết gene ra khỏi tế bào, kĩ thuật nhân bản gene, kĩ thuật cắt và ghép nối các đoạn DNA với nhau sao cho gene khi đưa vào tế bào nhận có thể tạo ra được sản phẩm có chức năng.

Tóm tắt nguyên lí tạo DNA tái tổ hợp ở vi khuẩn E. coli

và những ứng dụng trong nghiên cứu khoa học và thực tiễn

(1) 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.

- Các bước tạo DNA tái tổ hợp:

+ Tách chiết thể truyền – vector tách dòng (plasmid của vi khuẩn, DNA của virus, nhiễm sắc thể nhân tạo ở nấm men,…) và gene cần chuyển ra khỏi tế bào.

+ Cắt lấy gene cần chuyển và cắt vector tách dòng bằng cùng một loại enzyme cắt giới hạn (restrictase) để tạo các đầu dính có trình tự nucleotide bổ sung.

+ Dùng ezyme nối (ligase) gắn gene cần chuyển vào vector tách dòng để tạo thành DNA tái tổ hợp.

- Sau khi được tạo thành, DNA tái tổ hợp được chuyển vào tế bào chủ (thường là E.coli, B.subtilis, S. cerevisiae, A. oryzae,…) theo hai cách:

+ Phương pháp biến nạp: dùng muối CaCl₂ hoặc xung điện làm dãn màng sinh chất, tạo điều kiện cho DNA tái tổ hợp xâm nhập vào tế bào.

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

Phương pháp biến nạp và phương pháp tải nạp

(2) 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 thông qua các cơ chế phiên mã và dịch mã.

- Để gene chuyển 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 chuyển được biểu hiện.

- Sử dụng kĩ thuật PCR hoặc lai phân tử để nhận biết tế bào vi khuẩn có chứa DNA tái tổ hợp.

- 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.

- Sau khi được thu nhận, tiến hành đánh giá chất lượng protein tái tổ hợp về đặc tính và chức năng.

- Cuối cùng, protein tái tổ hợp được đưa vào sản xuất ở các quy mô công nghệ khác nhau (quy mô phòng thí nghiệm, quy mô công nghiệp,…).

3. Một số thành tựu

Công nghệ DNA tái tổ hợp đạt được nhiều thành tựu quan trọng, đặc biệt là tạo ra các dòng vi sinh vật biến đổi gene đem lại nhiều ứng dụng trong nghiên cứu di truyền học và trong đời sống.

• Trong ngành dược phẩm:

- Tạo các chủng vi khuẩn E.coli mang gene sản xuất protein tái tổ hợp: hormone sinh trưởng (GH) ở động vật có vú, somatostatin, insulin, kháng thể đơn dòng, enzyme, vaccine, interferon,…

Quy trình ứng dụng công nghệ DNA tái tổ hợp để sản xuất insulin

- 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.

• Trong ngành công nghiệp và bảo vệ môi trường: Vi khuẩn biến đổi gene đã được sử dụng làm tăng hiệu quả sản xuất hơn nhiều lần so với khi sử dụng các vi khuẩn bình thường. Vi sinh vật biến đổi gene được sử dụng trong nhiều ngành sản xuất công nghiệp như ngành sản xuất ethanol từ các vật liệu thực vật hay ngành công nghiệp xử lí nước thải, xử lí các hoá chất độc hại gây ô nhiễm môi trường, tách chiết các kim loại nặng độc hại, tăng cường thu hồi dầu,...

• Trong nông nghiệp: Một số loại vi khuẩn biến đổi gene giúp cây trồng tăng cường hấp thụ nitrogen, ức chế các vi khuẩn và nấm gây bệnh cho cây.

II. CÔNG NGHỆ TẠO THỰC VẬT VÀ ĐỘNG VẬT BIẾN ĐỔI GENE

1. Khái niệm sinh vật biến đổi gene

- Khái niệm:

+ 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.

+ Các động vật và thực vật có thêm gene từ các loài khác còn được gọi là động vật và thực vật chuyển gene.

Một số sinh vật biến đổi gene

- Mục đích tạo thực vật và động vật biến đổi gene là tạo ra những sinh vật có các đặc điểm khác thường chưa từng tồn tại trong tự nhiên, phục vụ các nhu cầu khác nhau của con người.

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

- Tạo thực vật và động vật biến đổi gene đều dựa trên nguyên lí DNA tái tổ hợp: (1) nguyên lí tái tổ hợp DNA là sự dung hợp giữa hai hay nhiều đoạn DNA gắn với nhau tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp, (2) nguyên lí biểu hiện gene là thông tin mã hóa trình tự amino acid trên gene được biểu hiện thành protein trong tế bào sống thông qua cơ chế phiên mã và dịch mã.

- Tuy vậy, để cho tế bào thực vật và hợp tử của động vật có thể phát triển thành một cá thể chuyển gene hoàn chỉnh cần phải có thêm các công nghệ thích hợp cho từng đối tượng.

a) Nguyên lí tạo động vật biến đổi gene

- Tế bào nhận gene chuyển ở động vật là trứng vừa mới được thụ tinh do tế bào trứng đủ lớn để có thể dùng kim tiêm bơm hàng trăm bản sao của cùng một gene chuyển vào trong tế bào.

+ Trứng vừa mới thụ tinh khi nhân của tinh trùng và nhân của trứng chưa hòa nhập với nhau là thời điểm thích hợp để nhận gene chuyển.

+ 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.

+ Hợp tử chuyển gene sau đó được nuôi cấy thành phôi nang rồi đưa vào tử cung của "mẹ nuôi" cho mang thai sinh ra con vật chuyển gene.

+ Để xác định sự có mặt của gene chuyển, người ta tiến hành chọn lọc cơ thể chuyển gene nhờ sử dụng các kĩ thuật như PCR, lai phân tử,…

Nguyên lí tạo động vật biến đổi gene

b) Nguyên lí tạo thực vật biến đổi gene

- Ti plasmid (đã làm mất khả năng gây bệnh) là vector được sử dụng phổ biến để chuyển gene vào cơ thể thực vật.

- Vì tế bào thực vật có thành tế bào nên việc chuyển DNA tái tổ hợp có thể thực hiện bằng súng bắn gene bắn các hạt chất dẫn như DNA tái tổ hợp được bọc bằng vàng hay vonfram vào tế bào hoặc dùng virus hoặc chuyển gene trực tiếp qua ống phấn, vi tiêm ở tế bào trần,…

- Tế bào chuyển gene sau đó được nuôi cấy cho tái sinh thành các cây chuyển gene.

Sơ đồ tạo thực vật biến đổi gene

3. Một số thành tựu

• Đối với thực vật:

- Tạo ra giống lúa có tên là "lúa vàng" có thêm gene tổng hợp nên tiền chất của vitamin A. Sử dụng loại gạo này giúp con người không bị thiếu hụt vitamin A.

Giống “lúa vàng”

- Tạo ra giống bông Bt, giống ngô Bt chuyển gene có được gene lấy từ vi khuẩn tạo ra độc tố Bt chống lại sâu hại nên khi trồng cây không phải sử dụng thuốc trừ sâu hóa học.

Quy trình tạo ra giống ngô Bt

- Tạo ra giống đậu tương được chuyển gen ZD91 có hàm lượng methionine cao.

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

• Đối với động vật:

- Tạo ra cừu chuyển gene có gene quy định protein antithrombin của người để dùng làm thuốc chống đông máu sử dụng trong các ca phẫu thuật.

- Tạo ra cá hồi chuyển gene có thêm gene quy định hormone sinh trưởng có tốc độ sinh trưởng cao hơn nhiều so với cá hồi bình thường.

Cá hồi biến đổi gene có tốc độ phát triển vượt trội

- Tạo giống bò chuyển gene mã hóa fibrinogen.

- Tạo giống chuột được chuyển gene mã hóa albumin huyết thanh của người.

- Tạo giống chuột được chuyển gene APP của người để nghiên cứu bệnh Alzheimer,…

• Công nghệ gene đem đến nhiều ứng dụng thực tiễn nhưng cũng gây nên những quan ngại về sức khoẻ, môi trường và đạo đức sinh học:

- Sử dụng sinh vật biến đổi gene gây nguy cơ phát tán các gene chuyển vào tự nhiên. Ví dụ: Cây trồng có gene kháng thuốc diệt cỏ, kháng côn trùng, kháng virus có thể lai với các cây hoang dại và truyền các gene này vào các cây hoang dại, tạo nên các "siêu cỏ dại" khó có thể bị tiêu diệt. Hay việc sử dụng sản phẩm biến đổi gene về lâu dài có thể gây nên những vấn đề về sức khoẻ như dị ứng hay các bệnh khác.

- Ứng dụng công nghệ gene cũng gây quan ngại về vấn đề đạo đức sinh học. Ví dụ: Liệu có nên cho phép biến đổi hệ gene của người? Nhiều nước cho rằng các phôi thai người là không thể tuỳ tiện phá bỏ hay điều chỉnh hệ gene. Việc sử dụng DNA tái tổ hợp trong việc chữa các bệnh di truyền cũng gây quan ngại vì chưa thể đảm bảo gene thay thế có hoạt động bình thường và không ảnh hưởng đến các gene khác hay không. Do vậy, sử dụng công nghệ DNA tái tổ hợp để chỉnh sửa hệ gene người được cho là vi phạm đạo đức và đang bị cấm nghiên cứu ở nhiều quốc gia.

→ Do tiềm ẩn các rủi ro mà con người chưa đánh giá hết được nên 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 suất và sử dụng sản phẩm biến đổi gene.

Ghi nhãn dán thực phẩm biến đổi gene để người tiêu dùng lựa chọn

TRẮC NGHIỆM ONLINE

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Sinh học lớp 12 Kết nối tri thức hay khác:

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 4: Đột biến gene

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 6: Thực hành: Tách chiết DNA

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 7: Cấu trúc và chức năng của nhiễm sắc thể

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 8: Học thuyết di truyền của Mendel

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 9: Mở rộng học thuyết Mendel

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 10: Di truyền giới tính và di truyền liên kết với giới tính

Xem thêm các tài liệu học tốt lớp 12 hay khác:

• Giải sgk Sinh học 12 Kết nối tri thức
• Giải Chuyên đề Sinh 12 Kết nối tri thức
• Giải SBT Sinh học 12 Kết nối tri thức
• Giải lớp 12 Kết nối tri thức (các môn học)
• Giải lớp 12 Chân trời sáng tạo (các môn học)
• Giải lớp 12 Cánh diều (các môn học)

---