I. KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
A. Công nghệ gen
1. Khái niệm công nghệ gen
– Công nghệ gen là quy trình công nghệ dùng để tạo ra những tế bào, những sinh vật có gen bị biến đổi hoặc có thêm gen mới, tạo ra cá thể có nhiều đặc điểm mới. Trong công nghệ gen, kĩ thuật chuyển gen là then chốt nhất.
– Kĩ thuật chuyển gen là kĩ thuật tạo ADN tái tổ hợp để chuyển gen từ tế bào này sang tế bào khác.
2. Các phương pháp thu nhận nguồn gen cần thiết trong kĩ thuật chuyển gen.
– Phương pháp 1: Tách các đoạn ADN từ bộ gen có sẵn: Phương pháp này có nhược điểm là mang tính chất mày mò vì toàn bộ ADN có chứa rất nhiều gen, do đó khó tìm được gen cần thiết trong thời gian ngắn.
– Phương pháp 2: Tổng hợp gen bằng phương pháp hóa học: Dựa trên những hiểu biết về trình tự Nu của gen đã cho phép con người tổng hợp nhân tạo các gen cần thiết.
– Phương pháp 3: Sinh tổng hợp gen từ mARN tương ứng: Dựa vào quá trình phiên mã ngược để từ trình tự Nu trên mARN tổng hợp được trình tự Nu trên mạch mã gốc và trên mạch bổ sung tương ứng.
3. Các yếu tố tham gia vào kĩ thuật chuyển gen.
3.1. Thể truyền: (vector thể truyền):
– Là 1 phân tử ADN nhỏ có khả năng nhân đôi độc lập với hệ gen của tế bào cũng như có thể gắn vào hệ gen của tế bào.
– Thể truyền thường dùng là plasmid, cũng có thể là thể thực khuẩn (thực chất là ADN của virus kí sinh trong vi khuẩn đã bị biến đổi) hoặc cũng có thể là 1 số NST nhân tạo.
– Plasmid: là 1 phân tử ADN nhỏ, dạng vòng, thường có trong tế bào chất của nhiều loài vi khuẩn, có khả năng nhân đôi độc lập với hệ gen của tế bào cũng như có thể gắn được vào hệ gen của tế bào. Ngoài ra, thể truyền plasmid còn có thể chứa những gen đánh dấu (dấu chuẩn).
3.2. ADN tái tổ hợp
Là 1 phân tử ADN nhỏ được lắp rắp từ các đoạn ADN lấy từ các tế bào khác nhau (thể truyền, gen cần chuyển).
3.3. Các enzym.
– Enzym cắt giới hạn (Restrictaza): là 1 loại enzym cắt ADN thể truyền và ADN tế bào cho. Các enzym cắt giới hạn bản chất là các Nucleaza có tính chất chung là cắt cầu phosphodiester nối các Nu cạnh nhau trong ADN hoặc trong ARN. Đặc điểm nổi bật của enzym cắt: Nhận ra và cắt phân tử ADN ở những Nu xác định, nên chúng được gọi là enzym cắt giới hạn. Ví dụ: E.coli: RI có khả năng nhận dạng và cắt ADN ở giữa G và A. Enzym Hind I cắt giữa G với G… Nhờ việc nhận biết chính xác như vậy mà enzym cắt có thể cắt tách các gen mã hóa cho những protein xác định. Enzym cắt được tách từ tế bào vi khuẩn là chủ yếu. (Hơn 500 loại enzym cắt khác nhau). Tùy theo vị trí cắt mà người ta xếp chúng vào 2 nhóm:
+ Exon Nucleaza: cắt ADN ở vị trí 2 đầu mút.
+ Endo Nucleaza: cắt ở vị trí giữa của ADN.
Chỗ bị cắt của ADN nhận và đoạn gen cần chuyển vào bị cắt ra từ ADN tế bào cho phải do cùng 1 enzym cắt. Vì vậy, chúng tạo ra những đầu so le với nhau, nên khi trộn những đoạn bổ sung này cho nhau, chúng có thể bổ sung với nhau.
– Enzym nối (Ligaza) dùng để nối ADN của gen cần chuyển vào ADN của thể truyền với nhau tạo ADN tái tổ hợp. Các enzym ligaza có sẵn trong mọi loại tế bào, có tác dụng trong nhân đôi ADN, chúng xúc tác phản ứng nối bằng cầu nối phosphodiester để nối các Nu liên tiếp lại với nhau. Hiện nay, kĩ thuật di truyền đang dùng phổ biến là ADN ligaza của E. coli và ADN ligaza của T4.
4. Các khâu trong kĩ thuật chuyển gen.
4.1. Tạo ADN tái tổ hợp
– Tách chiết thể truyền và ADN gen cần chuyển ra khỏi tế bào.
– Xử lí ADN thể truyền và ADN gen cần chuyển bằng cùng 1 loại enzym cắt giới hạn Restrictaza để tạo ra cùng 1 loại đầu dính có trình tự Nu giống nhau.
– Dùng enzym nối ligaza để tạo ra ADN tái tổ hợp bằng cách nối gen cần chuyển và ADN thể truyền.
4.2. Chuyển ADN tái tổ hợp vào tế bào nhận:
– Biến nạp: là phương pháp đưa ADN tái tổ hợp vào tế bào nhận bằng cách dùng muối hoặc dùng xung điện để làm giãn màng sinh chất của tế bào nhận, khi đó ADN tái tổ hợp dễ dàng chui qua màng để tiến vào bên trong tế bào nhận.
– Tải nạp: là phương pháp dùng thể truyền là virus lây nhiễm vi khuẩn, chúng mang gen cần chuyển và xâm nhập vào tế bào chủ.
4.3. Phân lập dòng tế bào có chứa ADN tái tổ hợp.
Để nhận biết được tế bào nhận đã có được ADN tái tổ hợp hay chưa, cần phải chọn thể truyền có chứa gen đánh dấu hoặc dấu chuẩn để nhận biết. Qua đó, có thể nhận biết được ADN tái tổ hợp tạo điều kiện cho ADN tái tổ hợp được biểu hiện.
*Thành tựu ứng dụng:
Mở ra khả năng tái tổ hợp thông tin di truyền giữa các loài đứng xa nhau trong thang phân loại mà cách lai khác không thể thực hiện được.
B. Ứng dụng công nghệ gen trong tạo giống biến đổi gen.
1. Sinh vật biến đổi gen.
– Sinh vật biến đổi gen là những sinh vật mà hệ gen của nó đã được con người làm biến đổi cho phù hợp với lợi ích của mình.
– Người ta có thể làm biến đổi hệ gen của sinh vật theo 3 cách:
+ Đưa thêm 1 gen lạ, thường là gen của 1 loài khác vào hệ gen của sinh vật, sinh vật có được gen của loài khác bằng cách này gọi là sinh vật chuyển gen.
+ Làm biến đổi 1 gen có sẵn trong hệ gen, làm cho 1 gen nào đó của sinh vật biến đổi để nó sản xuất ra nhiều sản phẩm hơn hoặc làm cho nó được biểu hiện 1 cách khác thường.
+ Loại bỏ hoặc làm bất hoạt 1 gen nào đó trong hệ gen.
2. Công nghệ gen trong tạo giống động vật.
2.1. Mục đích.
Sử dụng công nghệ gen để tạo ra những giống động vật mới có năng suất và chất lượng cao hơn về sản phẩn, đặc biệt tạo ra được động vật chuyển gen có thể sản xuất được thuốc chữa bệnh cho con người.
2.2. Phương pháp chuyển gen ở động vật.
– Phương pháp vi tiêm: Là phương pháp thông dụng nhất trong kĩ thuật chuyển gen ở động vật. Đoạn ADN cần chuyển được bơm thẳng vào hợp tử ở giai đoạn còn non (giai đoạn nhân của tinh trùng và trứng chưa được hòa hợp).
– Sử dụng tế bào gốc: trong phôi, có những tế bào có khả năng phân chia mạnh, các tế bào này được lấy ra và được chuyển gen con người mong muốn, sau đó cấy trở lại vào phôi ban đầu.
– Sử dụng tinh trùng như 1 vector mang gen: bơm đoạn ADN vào tinh trùng, tinh trùng sẽ mang ADN này vào trong tế bào trứng khi tham gia thụ tinh.
– Cấy gen đã cải biến vào trong nhân tế bào (đã có sự tái tổ hợp, cải biến).
+ Bước 1: Cải biến lại gen
+ Bước 2: Đưa gen đã cải biến vào tế bào. Nuôi cấy nó để nó cải biến gen của tế bào theo trình tự mới bằng cách tái tổ hợp.
+ Bước 3: Chọn lọc dòng tế bào đã được cải biến gen, sau đó cho dung hợp tế bào trứng đã loại nhân và cấy tế bào này vào tử cung vật nuôi.
2.3. Các thành tựu:
Công nghệ gen tạo được 1 số động vật chuyển gen như: tạo được giống cừu sản xuất protein người.
– Cừu cho sữa có chứa protein huyết thanh người: sản phẩm này được chế thành thuốc chống u xơ nang, 1 số bệnh về đường hô hấp.
– Tạo được giống bò chuyển gen có chứa r- protein của người. Khi bò chuyển gen cho sữa, sữa này có thể chế biến thành protein C chữa bệnh máu vón cục gây tắc mạch ở người.
3. Công nghệ tế bào thực vật
– Công nghệ gen tế bào thực vật mở ra nhiều ứng dụng mới cho trồng trọt, rút ngắn thời gian chọn giống.
– Phương pháp chuyển gen: plasmid, virus, trực tiếp qua ống phấn, dùng kĩ thuật vi tiêm ở tế bào trần, súng bắn gen.
– Thành tựu: Hiện nay, tạo được trên 1200 loài thực vật chuyển gen khác nhau.
+ Cà chua có gen sản sinh ra etilen được làm bất hoạt khiến cho quá trình chín của nó chậm lại, do vậy kéo dài thời gian bảo quản.
+ Cà chua chuyển gen kháng virus.
+ Ở lúa, có thể tạo ra lúa có chứa β-caroten làm tăng hàm lượng dinh dưỡng.
4. Công nghệ tạo giống vi sinh vật.
– Mục đích: Tạo ra các dòng VSV biến đổi gen phù hợp với mục đích khác nhau của con người. Ví dụ: Sản xuất thuốc chữa bệnh, VSV bảo vệ môi trường.
– Các phương pháp chuyển gen:
+ Biến nạp
+ Tải nạp
– Thành tựu:
+ Tạo được các dòng vi khuẩn mang gen người để sản xuất ra hormon chữa bệnh cho con người. Ví dụ: Vi khuẩn E.coli mang gen Insulin của người, hormon Somatostatin.
+ Tạo các chủng VSV làm sạch môi trường như vi khuẩn phân hủy rác, vi khuẩn phân hủy dầu loang.
II. CÁC DẠNG BÀI TẬP
Bài 1:
Thế nào là ADN tái tổ hợp, thể truyền? Vai trò của các dạng thể truyền.
Hướng dẫn giải
1) ADN tái tổ hợp:
– Là phân tử ADN được tổ hợp trong ống nghiệm từ các nguồn ADN của các loài khác nhau theo một qui trình kĩ thuật nhất định nào đó.
– Mỗi phân tử ADN tái tổ hợp gồm một phân tử ADN plasmit hay một thể thực khuẩn (phagơ) nguyên vẹn gọi là thể truyền nối với một đoạn ADN được ghép vào thể truyền (gọi là ADN ngoại lai hay gen cần ghép).
2) Vectơ tách dòng di truyền (thể truyền):
– Vectơ là ADN có vai trò là vật trung gian trong việc mang ADN ngoại lai gen cần ghép từ tế bào cho, sang tế bào nhận bằng phương pháp tải nạp, biến nạp.
– Có hai loại vectơ là plasmit và phagơ trong đó plasmit được dùng phổ biến vì có các đặc điểm kích thước bé, dễ tổng hợp nhân tạo (invitrô), số bản sao cao và dễ xâm nhập vào tế bào vật chủ.
– Trong các loại phage thì Lambda thường được sử dụng nhất vì phần giữa chứa các gen không liên quan đến quá trình tái sinh, dễ cấy gen cần thiết vào đoạn này.
Bài 2:
Hãy nêu các ứng dụng của kĩ thuật chuyển gen.
Hướng dẫn giải
+ Kĩ thuật chuyển gen là một trong các thành tựu của công nghệ sinh học giúp con người sản xuất trên qui mô lớn các hợp chất sinh học có giá trị như axitamin, prôtêin, vitamin, enzim, kích tố, các loại kháng sinh, kích tố sinh trưởng, interferon …
+ Ví dụ: Phần lớn các kháng sinh do các nhóm xạ khuẩn tổng hợp nhưng vì có tốc độ quá chậm, giá thành quá đắt, nên con người đã cấy gen tổng hợp kháng sinh của xạ khuẩn sang những chủng vi khuẩn dễ nuôi và có tốc độ sinh sản nhanh như E. coli.
+ Thành tựu nổi bậc năm 1980 là con người đã dùng plasmit làm thể truyền đã chuyển gen mã hóa hoocmôn insulin của người sang vi khuẩn E. coll, nhờ vậy insulin dùng để chữa bệnh đái tháo đường đã hạ giá thành xuống hàng vạn lần so với trước đây.
+ Con người cũng dựa vào kĩ thuật trên, đã tổng hợp kích tố sinh trưởng somatostatin làm tăng sản lượng sữa ở bò.
+ Việc sản xuất hợp chất interferon góp phần chống lại một số bệnh do virut ở vật nuôi, cây trồng.
+ Kĩ thuật di truyền cho phép chuyển gen giữa các sinh vật khác nhau như chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ từ loài thuốc lá cảnh pentunia vào cây ông và đậu tương, cấy gen qui định khả năng chống một số bệnh do virut vào khoai tây.