Bài học

Công nghệ gene và sinh vật biến đổi gene

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được nguyên lí công nghệ gene, mô tả được quy trình sản xuất insulin người bằng vi khuẩn, và trình bày được lợi ích cùng những câu hỏi còn đang tranh luận về sinh vật biến đổi gene.

Kiến thức nền cần nhớ

Em đã học ở bài DNA, gene và mã di truyền rằng mã di truyền có tính phổ biến — hầu hết sinh vật, từ vi khuẩn tới con người, đều dùng chung một bảng mã để dịch trình tự gene thành protein (same-grade bridge). Em cũng đã học ở bài Từ gene đến tính trạng rằng một tế bào biểu hiện gene bằng cách phiên mã rồi dịch mã (same-grade bridge). Hai điều này cộng lại giải thích vì sao một điều tưởng như kỳ lạ lại khả thi: đưa một gene NGƯỜI vào một tế bào VI KHUẨN, con vi khuẩn đó vẫn đọc và biểu hiện đúng gene ấy.

Khởi động

Insulin là một loại protein cơ thể người cần để điều hoà đường huyết, dùng để điều trị bệnh tiểu đường. Trước đây insulin y tế phải chiết xuất từ tuyến tuỵ của lợn hoặc bò. Ngày nay phần lớn insulin dùng trong điều trị lại được sản xuất bằng... vi khuẩn. Một con vi khuẩn làm sao tạo ra được đúng loại protein của con người?

Kiến thức trọng tâm

Công nghệ gene là kỹ thuật tách một đoạn gene xác định — mang thông tin quy định một tính trạng mong muốn — từ loài này, rồi chuyển và gắn vào vật chất di truyền của loài khác, khiến sinh vật nhận gene biểu hiện tính trạng mới đó. Đây là điểm khác biệt căn bản so với công nghệ tế bào ở bài sau: công nghệ gene THAY ĐỔI vật chất di truyền bằng cách thêm một gene lạ; công nghệ tế bào không hề đổi vật chất di truyền, chỉ khai thác khả năng nhân bản nguyên trạng của tế bào sống.

Quy trình sản xuất insulin người bằng vi khuẩn gồm nhiều bước nối tiếp. Trước hết, các nhà khoa học dùng enzyme cắt giới hạn tách đoạn gene mã hoá insulin ra khỏi DNA người, rồi gắn vào một plasmid — vòng DNA nhỏ, tách biệt với nhiễm sắc thể chính, có khả năng tự nhân đôi độc lập trong tế bào vi khuẩn. Plasmid tái tổ hợp này được đưa vào vi khuẩn, thường là Escherichia coli. Nhờ khả năng tự nhân đôi, plasmid được nhân lên cùng mỗi lần vi khuẩn phân chia — một đoạn gene rời, không gắn vào thể mang, sẽ không được duy trì qua các thế hệ tế bào tiếp theo.

Quy trình sản xuất insulin người bằng vi khuẩn gồm nhiều bước nối tiếp. Trước hết, các nhà khoa học dùng enzyme cắt giới hạn tách đoạn gene mã hoá insulin ra khỏi DNA người, rồi gắn vào một plasmid — vòng DNA nhỏ, tách biệt với nhiễm sắc thể chính, có khả năng tự nhân đôi độc lập trong tế bào vi khuẩn. Plasmid tái tổ hợp này được đưa vào vi khuẩn, thường là *Escherichia coli*. Nhờ khả năng tự nhân đôi, plasmid được nhân lên cùng mỗi lần vi khuẩn phân chia — một đoạn gene rời, không gắn vào thể mang, sẽ không được duy trì qua các thế hệ tế bào tiếp theo.

Nhờ mã di truyền phổ biến, vi khuẩn đọc và biểu hiện đúng gene người, tổng hợp ra insulin người thật sự, không phải một protein tương tự của loài khác. Nuôi cấy vi khuẩn số lượng lớn trong bể lên men rồi tách chiết, tinh sạch, cho ra lượng thuốc insulin lớn, đúng cấu trúc người — khác hẳn insulin chiết từ động vật trước đây, vốn hơi khác cấu trúc người và đôi khi gây phản ứng miễn dịch, lại phụ thuộc số lượng động vật giết mổ.

Nguyên lí chuyển gene tương tự cũng tạo ra sinh vật biến đổi gene (thường viết tắt GMO) trong nông nghiệp. Ví dụ quen thuộc là cây trồng mang gene kháng sâu tách từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis, gọi tắt là gene Bt — vi khuẩn này tự nhiên tạo ra một protein gây độc với một số sâu bướm ăn lá nhưng an toàn với người và động vật có xương sống. Cây mang gene Bt tự tổng hợp protein này, giảm hẳn nhu cầu phun thuốc trừ sâu hoá học.

Nguyên lí chuyển gene tương tự cũng tạo ra sinh vật biến đổi gene (thường viết tắt GMO) trong nông nghiệp. Ví dụ quen thuộc là cây trồng mang gene kháng sâu tách từ vi khuẩn *Bacillus thuringiensis*, gọi tắt là gene Bt — vi khuẩn này tự nhiên tạo ra một protein gây độc với một số sâu bướm ăn lá nhưng an toàn với người và động vật có xương sống. Cây mang gene Bt tự tổng hợp protein này, giảm hẳn nhu cầu phun thuốc trừ sâu hoá học.

Lợi ích của cây trồng biến đổi gene khá rõ: năng suất ổn định hơn trước thiệt hại sâu bệnh, giảm lượng thuốc trừ sâu phải phun, góp phần cải thiện an ninh lương thực ở vùng canh tác khó khăn. Nhưng công nghệ này cũng đặt ra những câu hỏi còn đang được tiếp tục nghiên cứu: ảnh hưởng lâu dài tới đa dạng sinh học (một số loài sâu có thể dần kháng lại protein Bt), sự phụ thuộc của nông dân vào một số công ty giống, và yêu cầu ghi nhãn thực phẩm để người tiêu dùng tự lựa chọn. Các cơ quan khoa học lớn nhìn chung ghi nhận giống GMO đã qua kiểm định là an toàn để làm thực phẩm, nhưng câu hỏi về môi trường và xã hội vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu, chưa phải chuyện đã có kết luận cuối cùng cho mọi khía cạnh.

Ví dụ

Giải thích vì sao gene người phải gắn vào plasmid trước khi đưa vào vi khuẩn

1
Vì sao các nhà khoa học không đưa trực tiếp đoạn gene insulin (đã tách rời) vào tế bào vi khuẩn, mà phải gắn nó vào một plasmid trước?
2
Một đoạn DNA rời, không gắn với bất kỳ cấu trúc nào có khả năng tự nhân đôi, sẽ không được sao chép mỗi khi tế bào vi khuẩn phân chia. (1)
3
Từ (1): plasmid là thể truyền tự nhân đôi ĐỘC LẬP với nhiễm sắc thể chính; gắn gene người vào plasmid, gene được nhân lên cùng plasmid mỗi lần vi khuẩn phân chia.
4
Vì vậy, sau nhiều lần phân chia, TOÀN BỘ quần thể vi khuẩn nuôi cấy đều mang và biểu hiện gene insulin người, chứ không phải chỉ một số ít tế bào ban đầu.
5
Vậy gene phải gắn vào plasmid để được nhân lên ổn định qua các thế hệ tế bào vi khuẩn — thiếu bước này, gene sẽ mất đi sau vài lần phân chia và không thể sản xuất insulin ở quy mô lớn.

Ví dụ

So sánh sản xuất insulin bằng công nghệ gene với chiết xuất từ động vật (dạng đề kiểm tra)

1
Trước khi có công nghệ gene, insulin y tế được chiết xuất từ tuyến tuỵ lợn hoặc bò. Nêu hai lí do vì sao sản xuất insulin bằng công nghệ gene được xem là một bước tiến lớn so với phương pháp chiết xuất cũ.
2
Insulin động vật có cấu trúc hơi khác insulin người, nên ở một số bệnh nhân có thể gây phản ứng miễn dịch khi dùng lâu dài. Insulin sản xuất bằng công nghệ gene mang đúng trình tự gene người, nên có cấu trúc giống hệt insulin cơ thể người tự tổng hợp. (1)
3
Chiết xuất từ động vật phụ thuộc vào số lượng động vật giết mổ, khó mở rộng quy mô nhanh. Vi khuẩn mang gene người lại nhân lên rất nhanh trong bể nuôi cấy, cho phép sản xuất insulin với số lượng lớn và ổn định hơn.
4
Từ (1) và bước trên: cả hai lí do đều xuất phát trực tiếp từ bản chất công nghệ gene — tạo đúng protein người, bằng một sinh vật sinh sản nhanh — không phải ngẫu nhiên hay chỉ do quảng cáo thương mại.
5
Vậy công nghệ gene là bước tiến lớn vì vừa cho insulin đúng cấu trúc người (giảm nguy cơ phản ứng miễn dịch), vừa sản xuất được số lượng lớn, ổn định, không phụ thuộc vào nguồn động vật giết mổ.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn thường gặp là gộp chung công nghệ gene với công nghệ tế bào ở bài sau — công nghệ gene ĐƯA THÊM một gene lạ vào sinh vật khác, thay đổi vật chất di truyền; công nghệ tế bào chỉ nhân bản nguyên trạng, không hề đưa gene lạ vào. Một nhầm lẫn khác là nghĩ MỌI vi khuẩn tự nhiên đều có khả năng nhận gene lạ và biểu hiện được — thực ra cần kỹ thuật cắt, gắn gene vào thể truyền và đưa chủ động vào tế bào, không phải hiện tượng tự xảy ra.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Công nghệ gene chuyển một gene xác định từ loài này sang loài khác, nhờ mã di truyền phổ biến. Sản xuất insulin: tách gene → gắn vào plasmid → đưa vào vi khuẩn → nuôi cấy → tinh sạch. Sinh vật biến đổi gene (như cây mang gene Bt) mang lại lợi ích rõ ràng nhưng cũng đặt ra những câu hỏi thật sự còn đang tiếp tục nghiên cứu.

Công nghệ gene thay đổi vật chất di truyền của sinh vật. Bài tiếp theo xét một hướng ngược lại: nhân bản một sinh vật mà KHÔNG hề thay đổi bộ gene của nó.