bài giảng CNSH

Bài g iảng
Công nghệ gen thự c vât


PLANT GENE TECHNOLOGY
PLANT GENE TECHNOLOGY
PGS. TS. Nông Văn Hải
PGS. TS. Nông Văn Hải
NCVCC, Phó Viện trư ở ng,
Giám đố c Phòng thí nghiệm trọ ng điểm Công nghệ gen
Viện Công nghệ s inh học
Viện Khoa học và Cô ng nghệ Việt Nam
18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
Tel/Fax (04).3836322 Email: vhno ng @ ibt.ac .vn

Nội dung môn học
Bài 1. Giới thiệu chung về CNGTV
(Introduction on Plant Gene Technology)
Bài 2. Hệ gen học thực vật (Plant Genomics)
và các môn học có liên quan
Bài 3. Các chỉ thị phân tử (Molecular Markers)
trong nghiên cứu thực vật
Bài 4. Chuyển gen/ biến nạp gen thực vật
(Plant Gene Transfer/ Transformation)
Bài 5. An toàn sinh học sinh vật/ cây trồng biến đổi gen
Biosafety of Genetically Modified
Organisms/Crops (GMOs/GMCs) và sở hữu trí tuệ
(Intellectual Property Rights, IPRs) trong lĩnh vực
CNGTV

Tài liệu học tập & Kế hoạch thi
•
Các bài giảng của PGS. TS. Nông Văn Hải
•
Các bài giảng của TS. Chu Hoàng Hà (Nhóm SH thực
nghiệm)
•
Các bài tổng quan Tạp chí CNSH
•
Các giáo trình, sách tham khảo khác
•
Internet
Kế hoạch thi:
1. Tiểu luận: 10-15 tr. (Mở đầu, Các nội dung chính, Kết luận,
Tài liệu tham khảo): nộp tuần đầu tháng 5?
2. Thi viết (120 phút): tuần đầu tháng 5?

Bài 1.
Giới thiệu chung
Giới thiệu chung
về công nghệ gen thực vật
về công nghệ gen thực vật
1. Các định nghĩa, khái niêm
2. Lịch sử hình thành và phát triển của CNGTV
3. Thành tựu và triển vọng của CNGTV

Các định nghĩa, khái niệm
Các định nghĩa, khái niệm

Các bộ môn khoa học/ công nghệ có liên quan
Các bộ môn khoa học/ công nghệ có liên quan
Molecular Biology: Sinh học phân tử
Molecular Genetics : Di truyền học phân tử
Molecular Biochemis try: Hóa s inh phân tử
Molecular Microbiology: Vi s inh vật học phân tử
Genetic Eng ineering: Kỹ thuật di truyề n/ Kỹ thuật gen
Genetic manipulation: Thao tác di truyền
Gene/DNA manipulation: Thao tác ge n/DNA
Gene Te chnology: Công nghệ ge n
Gene Cloning: Molecular Cloning: Tạo dòng ge n/
(Recombinant) DNA Tec hnolog y: Công nghệ DNA (tái tổ hợ p)
Genomics (Hệ / Bộ gen học)
(Structural Genomics : Hệ / Bộ ge n học cấu trúc)
Trans criptomics : Hệ phiên mã học
Pro teomics : Hệ / Bộ protein học
(Func tional Genomics : Hệ gen học chứ c năng)
Pro tein Engineering/ Protein De s igning (thiết kế pro tein)
Mo lecular Bioengineering (Kỹ nghệ/ Công nghệ s inh học phân tử)
Me tabolomics : Hệ trao đổi c hất học
Bioinformatics (Tin s inh học)
NanoBiotechnology (Công nghệ s inh học Nano)
etc .

Các thuật ngữ
Các thuật ngữ


A. Các thuật ngữ chung của sinh học phân tử và công
nghệ gen

B. Các thuật ngữ riêng trong CNGTV
-
Chuyển gen thực vật: Plant gene transfer
-
Biến nạp gen thực vật: Plant transformation
-
Sinh vật/ cây trồng biến đổi gen: GMOs/GMCs
-
Cây trồng chuyển gen: Transgenic plants
-
Cây trồng công nghệ gen: GE crops
-
Cây trồng công nghệ sinh học: Biotech crops
-
Chọn giống nhờ/ bằng/ có trợ giúp bằng chỉ thị (phân tử):
Marker Assisted Selection (MAS)
-
An toàn sinh học: Biosafety
…


Lịch sử hình thành và phát triển
công nghệ gen thực vật

•
Năm 1859, Charles Darwin đã xuất bản cuốn
sách: “Nguồn gốc các loài”, đây chính là nền tảng
của Học thuyết Tiến hóa và cơ chế của chọn lọc
tự nhiên. Quan điểm này của Darwin đã đồng thời
thách thức các quan điểm khoa học và các quan

điểm tôn giáo của văn hóa phương Tây đã từng
được chấp nhận hàng thế kỷ trước đó. Ngay trong
lần đầu xuất bản, cuốn sách đã được bán hết chỉ
trong 1 ngày. Các nhà thần học thời đó đã nhanh
chóng gọi Darwin là: “kẻ nguy hiểm nhất nước
Anh”… Nhưng, sau khi đọc cuốn sách, người bạn
đồng thời cũng là đồng nghiệp của Darwin, T.H
Huxley lại cho rằng: “Thật vô cùng ngu ngốc khi
không nghĩ về điều đó.”

Năm 1865, kỷ nguyên của Di truyền
học được mở đầu nhờ công lao
của Gregor Mendel, khi ông nghiên
cứu các tính trạng di truyền của các
cây đậu Hà Lan. Ông đã đưa ra các
quy luật cơ bản về sự di truyền
(cho tới nay, các quy luật này vẫn
đúng đối với tất cả các sinh vật).
Phát hiện của Mendel về “các nhân
tố di truyền” (các gen) không được
các nhà khoa học chấp nhận trong
suốt hơn 35 năm.

DI TRUYỂN NHIỄM SẮC THỂ
Năm 1910, Thomas Hunt Morgan đã đề
xuất học thuyết về sự di truyền của các
nhiễm sắc thể. Morgan cho rằng các gen
được sắp xếp dọc trên các nhiễm sắc thể
dựa trên những mô tả tính chất vật lý của
một gen đặc biệt trên một nhiễm sắc thể

đặc biệt. Morgan đã được nhận giải
thưởng Nobel Y học năm 1933.

MỘT GENE, MỘT ENZYME
Năm 1941, George Beadle và Edward
Tatum đã đưa ra giả thuyết “một gen, một
enzyme”. Ông cho rằng một gene sẽ sinh
ra một enzyme hoặc một protein. Hai ông
cùng chung nhau nhận giải thưởng Nobel
Y học năm 1958.

THÍ NGHIỆM WARING BLENDER
Năm 1952, Martha Chase và Alfred
Hershey đã tách được prtein vỏ của virus
khỏi DNA, từ đó, khẳng định rằng DNA là
vật chất truyền thông tin di truyền từ thế
hệ này sang thế hệ khác. Hershey đã
nhận giải Nobel vào năm 1969.

KHÁM PHÁ RA CHUỖI XOẮN KÉP
Năm 1953, James Watson và Francis Crick
đã suy luận ra cấu trúc của phân tử DNA –
một chuỗi xoắn kép – mà không cần thực
hiện một thí nghiệm nào. Watson và Crick
đã gửi tới tạp chí Nature một bài báo vẻn
vẹn trong một trang giấy với lời mở đầu:
“Chúng tôi xin đưa ra một mô hình cấu trúc
của muối deoxyribose nucleic acid (DNA)”,
và kết thúc bài báo bằng câu nói: “Nếu
chúng tôi không nhầm thì cách cặp đôi đặc

biệt này sẽ cho chúng ta thấy cơ chế nhân
bản của vật chất di truyền”. Công trình của
họ đã được nhận giải thưởng Nobel vào
năm 1962, cùng với Maurice Wilkins.

KHÁM PHÁ RA MÃ DI
TRUYỀN
Năm 1967, Har Khorana,
Robert Holley, và Marshall
Nirenberg đã giải mã cơ chế để
DNA có thể dịch mã thành các
protein. Ba ông cùng chung
nhau nhận giải Nobel vào năm
1968.

Năm 1968, Stanley Cohen, nhà nghiên
cứu về các bệnh do vi khuẩn, đã xác định
rằng các vi khuẩn mang các gene kháng
kháng sinh trong plasmid - DNA dạng vòng
nằm ngoài nhiễm sắc thể. Cohen đã
nghiên cứu cách tinh sạch các plasmid và
đưa chúng trở lại các tế bào vi khuẩn
khác, từ đó có thể chuyển tính kháng
kháng sinh giữa các chủng vi khuẩn.

Năm 1970, KHÁM PHÁ RA CÁC
ENZYME GIỚI HẠN. Nhà khoa học
Herb Boyer, thao tác trên các thể thực
khuẩn, đã phát hiện ra rằng các vi
khuẩn nhất định “giới hạn” đối với các

phage nhất định bằng cách sinh ra các
enzyme giúp cắt nhỏ DNA của phage,
tạo ra các “đầu dính (sticky ends)” trên
các mạch cắt. Boyer đã phân lập được
các enzyme giới hạn EcoR1. Trong
những năm tiếp theo, các nhà khoa học
đã phát hiện được hàng trăm
endonuclease giới hạn khác cắt DNA tại
các vị trí đặc biệt. Các nhà khoa học
đầu tiên nghiên cứu về các enzyme giới
hạn (Hamilton Smith và cs) đã được
nhận giải Nobel Y học vào năm 1978.

Năm 1972, CÔNG NGHỆ DNA
TÁI TỔ HỢP ra đời. Nhà sinh
hóa người Stanford, Paul Berg,
đã nối hai đoạn DNA đầu bằng
cắt từ virus SV 40 và vi khuẩn
E. coli lại với nhau, tạo ra phân
tử DNA tái tổ hợp. Berg đã
được nhận giải Nobel Hóa học
vào năm 1980 cùng với Walter
Gilbert và Fred Sanger.

Năm 1972, “TỪ CORNED BEEF ĐẾN
TÁCH DÒNG”: Vào tháng 11, tại một
hội nghị khoa học ở Hawaii, Cohen
nghe Boyer trình bày thí nghiệm với
EcoE1 của ông và kết luận của Boyer
rằng các đầu dính của DNA có thể

được nối lại với nhau hoặc có thể “bị
cắt” bằng DNA ligase. Sau đó, hai ông
đã gặp nhau và thảo luận về phương
pháp kết hợp phân lập plasmid với cắt
nối DNA. Họ đã đưa ra ý tưởng về việc
chèn đoạn DNA mong muốn vào các
plasmid của vi khuẩn để sau đó có thể
sản xuất lượng lớn các protein đặc biệt
– chất cơ bản của công nghiệp công
nghệ sinh học

Năm 1975, Hội nghị Asilomar: Paul Berg đã tổ
chức hội nghị quốc tế về kỹ thuật DNA tái tổ hợp
với hơn 100 nhà khoa học khác để thảo luận về
những gì đã biết (cũng như chưa biết) về DNA tái
tổ hợp và đề ra một số nguyên tắc chỉ đạo giúp
các nhà khoa học tránh được những nguy cơ
không đáng có. Các nhà khoa học đã đồng ý tạm
dừng nghiên cứu liên quan đến các kỹ thuật DNA
tái tổ hợp cho đến khi xác định được các nguy cơ
tiềm ẩn. Mặc dù kỹ thuật DNA tái tổ hợp đã tạo ra
nhiều sản phẩm vô hại hơn cả sự mong đợi,
nhưng Asilomar vẫn giữ nguyên quan điểm khoa
học quan trọng của mình.

Năm 1975, TRÌNH TỰ DNA
ĐƯỢC BẮT ĐẦU GIẢI MÃ.
Walter Gilberg và Allan Maxam
(Đại học Harvard) và Fred Sanger
(Đại học Cambrige) cùng lúc đã

đưa ra hai kỹ thuật nhằm xác
định trình tự chính xác của các
base của một gen. Gilberg và
Sanger (cùng với Paul Berg) đã
chung nhau nhận giải thưởng
Nobel vào năm 1980.

Năm 1975, Cesar Milstein, Georges Kohler
và Niels Jeme đã phát triển kỹ thuật kháng
thể đơn dòng bằng cách dung hợp các tế
bào u bất tử với các tế bào lympho B sinh
kháng thể để tạo ra “các thể dung hợp
(hybridomas)” vẫn tiếp tục tổng hợp được
các kháng thể đã biết đó (các kháng thể
đơn dòng). Milstein, Kohler và Jeme đã
được nhận giải Nobel Y học vào năm
1984.

Năm 1976, NHỮNG BƯỚC ĐỘT PHÁ CỦA
CÔNG NGHỆ SINH HỌC. Nhờ các kỹ thuật
sinh học phân tử, các tế bào được sử dụng
như các nhà máy nhằm sản xuất các
hormone và protein với quy mô công nghiệp.
Các sản phẩm này chính là các “dược phẩm
sinh học” có tiềm năng thương mại rất lớn.
Robert Swanson – một nhà đầu tư táo bạo ở
thung lũng Silicon, và Herb Boyer đã cùng
nhau thành lập hãng Genetech, Inc với mục
tiêu tách dòng insulin của người. Genetech
được đưa lên sàn giao dịch vào ngày

14/10/1980, bán ra tới 1 triệu cổ phiếu với
mệnh giá 35 $/cổ phiếu- và thu tới 35 triệu $
chỉ trong một buổi chiều. Tới cuối phiên giao
dịch, cổ phiếu của Genetech đã lập kỷ lục khi
lên giá tới 89$, một kỷ lục cho 1 lần đầu tiên
chào bán.

•
1978 Insulin của người được các
nhà khoa học của Genetech nhân
tách dòng vào E. coli. Genetech
sau đó đã chuyển giao công nghệ
sản xuất insulin cho Eli Lilly. Năm
1982, insulin người, hay Humulin,
trở thành loại thuốc DNA tái tổ hợp
đầu tiên được Cơ quan Quản lý
Thực phẩm và Dược phẩm của
Hoa Kỳ (FDA) cấp phép
•
Năm 1985, Genetech trở thành
công ty CNSH đầu tiên đưa ra sản
phẩm sinh dược của riêng mình,
ProTropin – hormone sinh trưởng
dành cho trẻ bị thiếu loại hormone
này

1986 Phản ứng chuỗi polymerase (PCR) do
Kary Mullis đặt nền móng và đã tạo nên cuộc
cách mạng trong sinh học phân tử… PCR sử
dụng một DNA polymerase chịu nhiệt để khuếch

đại bất kỳ một đoạn DNA lên hàng tỷ lần chỉ
trong vài giờ. Taq polymerase được chọn là
Phân tử của năm 1989 bởi tạp chí Science.
Kary Mullis, đã tách khỏi công ty ông làm thuê
(Cetus) và cũng thờ ơ với việc chứng minh khoa
học, đã thậm chí không được nhắc tới trong bài
báo của Science. Tuy nhiên, Mullis đã nhận
được giải Nobel về hóa học năm 1993 và trở
thành một nhà văn ăn khách. Cuộc chiến lâu
dài, quyết liệt “David và Goliath” về quyền sở
hữu kỹ thuật PCR và enzyme chủ chốt Taq
polymerase giữa Hoffman-LaRoche và Promega
Biotech cuối cùng cũng được giải quyết năm
1999.