Giáo trình công nghệ sinh học đại cương
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (29.1 MB, 222 trang )
ĐẠI H Ọ C THÁI
NGUYỀN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG
LÂM
Đ Ô N Ă N G V Ị N H (Chủ biên) - N G Ô XUÂN B Ì N H
NHÀ XUẤT B Ả N N Ô N G N G H I Ệ P
ĐẠI H Ọ C THÁI
NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NỒNG
LÂM
Đ Ỗ N Ă N G V Ị N H (Chủ biên)
NGÔ XUÂN BÌNH
G
C
Ô
N
G
I
N
Đ
A
Á
G
I
O
H
T
R
Ệ
C
S
Ư
NHÀ XUẤT BẢN NÔNG
H À N Ộ I - 2008
Ì
N
I
Ơ
H
N
N
H
H
G
NGHIỆP
Ọ
C
M Ở
Công
tiên phát
nghệ
thông
tin và công nghệ sinh học (CNSH)
triển ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. N hiều
to lớn của CNSH
CNSH
ĐẦU
là hai lĩnh
vực công nghệ
học giả đã dự báo sức
đối với cải tạo sinh giới, trong đó có bản thân con người.
ưu
mạnh
Vai trò
của
đối với phát triển kinh tế và y học, đối với an sinh xã hội và hệ sinh thái trên
trái
đất đang ngày càng mạnh
trình sống. N hiều
lên cùng với sự tích lũy nh anh
của tri thức về các
ch óng
quá
câu hỏi lớn liên quan đến phát triển công nghệ sinh học đang đặt
ra:
Ì. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ sinh học?
2.
Công nghệ sinh học là gì? Công nghệ sinh học bao gồm những
học và công nghệ
nào?
ngành
3.
Quan hệ giữa CNSH
4.
Các kiến thức cơ bản của
5.
Vai trò khám phá bản chất sự sống và khả năng cải tạo sinh giới của
6.
Vai trò của công nghệ sinh học đối với phát triển kinh tế- xã hội và ngược lại
vai trò của kinh tế- xã hội và chính sách quốc gia dối với phát triển
CNSH?
7.
Hiện trạng và dự báo phát triển công nghệ sinh học trên thế giới và ỏ nước
8.
Định hướng phát triển công nghệ sinh học ở nước
với các ngành khoa học tự nhiên, khoa học xã hội
công nghệ sinh
khoa
khác?
học?
CNSH?
ta?
ta?
Một trong các nhiệm vụ của quyển sách này là đặt ra những câu hỏi, đồng thời cùng
sinh viên và người đọc tìm ra câu trả lời các câu hỏi mang tính tổng quát
Hiện nay, nền kinh tế toàn cẩu đang trải qua những thách
sự phát triển nóng của các nền kinh tế, nhất là ở Trung
nước Đông Nam Á trong đó có Việt Nam,
lượng. Khả năng suy kiệt các nguồn
30 năm tới. Các quốc
trên.
thức ngày càng lớn. Đố là
Quốc, An Độ, Brasiỉ,
Nga vá các
đòi hỏi sự gia tăng khai thác và sử dụng
than đá, dầu mỏ, khí đốt là nhãn tiền trong
gia đông dân như Trung
Quốc,
năng
khoảng
An Độ, Nga đang dần trở
thành
các nên kinh tế lớn với mức tiêu dùng năng lượng và sản xuất khí thải nhà kính tương
tự
như Mỹ hiện nay. Tình hình đó có thể đẩy nhanh
và
quá trình khủng
môi trường toàn cầu, có thể dẫn đến chiến tranh vì những khoảng
các nguồn
năng lượng.
tồn tại? Phát
Vấn đề môi trường
triển hay không
phát
triển?
triển nào được xem là bền vững trên phạm
CNSH
đến đâu trong giải quyết các vấn đê
Định hướng
rất nhiêu
và xu thế phát
sinh thái trở thành
Phát triển phải
khoảng
không
năng lượng
gian sinh tồn và
vấn đề tồn tại hay
như thế nào? Giải pháp
vi toàn cẩu và cho từng quốc gia? Vai trò
không
phát
của
trên?
triển của công nghệ sinh học trong
vào việc trả lời cho các câu hỏi trên
tương lai phụ
thuộc
đây.
3
Vai trò của CNSH
trong giải quyết các vấn dề an sinh xã hội, vấn đề năng lượng
tái
sinh và sinh thái bền vững là rất to lớn. Các nhà khoa học trẻ và sinh viên trong lĩnh
sinh học - nông nghiệp,
bên cạnh việc phải có những kiến thức chuyên
môn sâu, phải
tầm nhìn rộng lớn hơn, bao quát hơn và định hướng tốt hơn trong hoạt động thực
Cuốn
"Công
nghệ
sinh học đại cương"
kiến thức cơ bản về CN SH
nhằm góp phần
và vai trò của CNSH
Giáo trình được phản công viết như
từ ỉ đến
Ngô Xuân Bình - tham gia viết các chương
lo và l i .
nghệ sinh học là một lĩnh
mới hàng ngày nên quyển
hoàn
thiện.
Chúng
vực khoa
sách này khó tránh
tôi xin trân trọng cảm
số
mới.
lo.
học rộng
khỏi
lớn, đang phát
có thiếu
sót, mong
ơn.
Nhóm tác giả
4
các
sau:
Đỗ Năng Vịnh - Chủ biên, viết các chương
Vì công
cung cấp cho học viên
trong giai đoạn
có
tiễn.
đối với thực tiễn, đồng thời gợi ý một
các định hướng và giải pháp phát triển của CNSH
vực
triển
và
bạn đọc góp
đổi
ý
Chương
Ì
KHÁI NIỆM, LỊCH s ử VÀ BIỆN CHÚNG PHÁT TRIỂN
CÔNG N G H Ệ SINH
CỦA
H Ọ C
1.1. K H Á I N I Ệ M C Ô N G N G H Ệ S I N H H Ọ C V À Q U A N H Ệ C Ủ A C Ô N G N G H Ệ S I N H
H Ọ C V Ớ I C Á C N G À N H K H O A H Ọ C T ự N H I Ê N VÀ XÃ H Ộ I K H Á C
C ô n g n g h ệ sinh học (CNSH) là tập hợp c á c n g à n h khoa học - c ô n g n g h ệ v ề sự sống,
bao g ồ m sinh học p h â n tử, k ỹ thuật gen, c ô n g n g h ệ t ế b à o , c ô n g n g h ệ v i sinh, c ô n g n g h ệ
protein và enzym..., n g h i ê n cứu và khai t h á c c á c q u á trình sinh học, hoạt đ ộ n g sống của
v i sinh vật, t ế b à o đ ộ n g v à thực vật, c ơ t h ể sống và m ô phỏng c á c q u á trình sinh học ở
quy m ô sản x u ấ t c ô n g nghiệp.
H i ệ n nay C N S H bao g ồ m c á c l o ạ i c ô n g n g h ệ và k ỹ thuật chủ lực n h ư c ô n g n g h ệ
gen, c ô n g nghệ v i sinh vật, c ô n g n g h ệ t ế b à o , c ô n g n g h ệ enzym, sinh học p h â n tử, sinh
hoa học, lý sinh học, đ i ề u k h i ể n học, sinh t i n học, genom học (genomics), protein học
(proteomics), nano sinh học... T u y v ậ y , C N S H k h ô n g chỉ đ ơ n thuần là khoa học sinh
học, n ó là sự k ế t hợp giữa c á c n g u y ê n lý sinh học v ớ i c ô n g n g h i ệ p sinh học.
CNSH là sự k ế t hợp giữa c á c n g u y ê n lý khoa học và c ô n g n g h ệ trong m ộ t h ệ thống
trong đ ó c á c c ơ t h ể sống, m ô hoặc t ế b à o , c ơ quan tử, c á c p h â n t ử hoặc q u á trình sống
được khai t h á c sử d ụ n g v à o sản x u ấ t ở quy m ô c ô n g nghiệp.
M ỗ i t ổ hợp sản x u ấ t C N S H bao g ồ m trong n ó c á c y ế u t ố k h á c nhau:
- C á c n g u y ê n lý khoa học và c ô n g nghệ.
- H ệ thống c á c t h i ế t bị hoặc d â y c h u y ề n c ô n g n g h ệ ( c á c t h i ế t bị n g h i ê n cứu khoa
học và k i ể m soát chất lượng, c á c thiết bị sản x u ấ t n h ư c á c bioreactor, h ệ t h ố n g lên men
vi sinh vật, h ệ đ i ề u k h i ể n tự đ ộ n g ) .
- Các h ệ thống sống ở c á c mức đ ộ t ổ chức k h á c nhau t ừ p h â n tử, c ấ u trúc trên p h â n
tử, t ế b à o quan, t ế b à o , m ô , c ơ quan, c ơ t h ể sống, quần thể....
- Các q u á t r ì n h c h u y ể n đ ổ i vật chất và n ă n g lượng n h ằ m tạo ra c á c sản p h ẩ m mong
m u ố n (ví dụ," sản x u ấ t c á c chất hoạt tính sinh học n h ư h o r m o n sinh trưởng, interĩeron,
k h á n g sinh, insulin) trên quy m ô c ô n g nghiệp.
Sự ra đ ờ i và p h á t t r i ể n của C N S H c ó quan h ệ chặt c h ẽ v ớ i sự p h á t t r i ể n của n h i ề u
n g à n h khoa học và c ô n g nghệ k h á c nhau. C á c m ố i quan h ệ đ ó được t h ể h i ệ n ở c á c s ơ đ ồ
1.1 và 1.2.
5
Tích lũy tri thức toán
học.vật lý, hoa học,
các khoa học về trái đất,
về không gian...
Cuộc cách mạng công
nghiệp lần 1,2 và 3:
Công nghiệp điện tử,
chế tạo máy, thông tin,
tin học, vật liệu...
Công nghệ sinh học
Công nghiệp sinh học
Sơ đồ LI.
Dự báo
Tích tụ tri thức và
phương tiện nghiên cứu
khoa học sinh học và
khoa học tự nhiên khác
Cuộc cách mạng công nghiệp
sinh học the kỷ XXI
Công nghệ sinh học ra đời và phát triển như một tất yếu lịch
sử
Quan h ệ giữa c á c n g à n h khoa học t h ể h i ệ n quan h ệ b i ệ n chứng giữa c á c h ì n h thức
v ậ n đ ộ n g k h á c nhau của v ậ t chất v à quan h ệ giữa v ậ n đ ộ n g x ã h ộ i v à p h á t t r i ể n khoa học
c ô n g nghệ. H i ể u b i ế t được c á c m ố i quan h ệ logic đ ó , c h ú n g ta m ớ i c ó c ă n cứ đ ể t ổ chức
h ệ thống khoa học và x â y dựng c á c c h ư ơ n g t r ì n h n g h i ê n cứu p h á t t r i ể n p h ù h ợ p .
V ậ n đ ộ n g sinh học là t ổ n g hoa của n h i ề u h ì n h thức v ậ n đ ộ n g k h á c nhau của v ậ t chất
và là k ế t q u ả của v ậ n đ ộ n g v ậ t lý, hoa học, v ậ n đ ộ n g v ũ trụ n ó i c h u n g . K h i l o à i n g ư ờ i c ó
k h ả n ă n g thao t á c d i t r u y ề n ở mức p h â n t ử và trở t h à n h " đ ấ n g s á n g t ạ o m ớ i " trong sinh
g i ớ i thì v ậ n đ ộ n g sinh học c ò n x ả y ra trong m ố i quan h ệ n g à y c à n g chặt c h ẽ v ớ i v ậ n
động xã h ộ i .
V ì t í n h chất phức tạp của v ậ n đ ộ n g sinh học, n ê n C N S H c h ỉ c ó t h ể h ì n h t h à n h và
p h á t t r i ể n k h i c á c n g à n h khoa học k h á c đ ã đ ạ t đ ế n q u á t r ì n h t í c h l ũ y t r i thức v à p h ư ơ n g
t i ệ n ở mức " t ớ i hạn" n à o đ ó .
C N S H n g à y nay đ a n g đ ứ n g t r ê n n ề n tảng của c á c khoa h ọ c t ự n h i ê n k h á c nhau và
t h à n h tựu của c á c cuộc c á c h m ạ n g c ô n g n g h i ệ p .
D o v ậ y , m ộ t n h à C N S H chắc chắn p h ả i c ó t r i thức khoa học t ự n h i ê n v à k i ế n thức
c ô n g nghệ. M ộ t quốc gia m u ố n p h á t t r i ể n c ô n g n g h i ệ p C N S H v ữ n g chắc p h ả i k ế t hợp
được sự p h á t t r i ể n c á c khoa học sinh học v ớ i c ô n g n g h ệ t i n học, đ i ệ n tử, v ậ t l i ệ u m ớ i v à
phải c ó t ầ m n h ì n t o à n c ầ u v à t ầ m n h ì n quốc gia v ề k i n h t ế , sinh t h á i v à m ô i t r ư ờ n g .
1.2. CÁC NGÀNH KHOA HỌC VỀ sự SỐNG VÀ Mối QUAN HỆ BIỆN CHÚNG
M ố i quan h ệ giữa c á c khoa học v ề sự sống v à c á c n g à n h khoa học t ự n h i ê n k h á c v ớ i
C N S H được m ô tả v ắ n tắt trên sớ*đồ 1.2. Sơ đ ồ n à y c ũ n g t h ể h i ệ n quan h ệ giữa t r i ế t học
c á c khoa học x ã h ộ i n h ư c h í n h trị, lịch sử, k i n h t ế v ớ i khoa học c ô n g n g h ệ n ó i chung v à
v ớ i C N S H n ó i r i ê n g . T r ê n sơ đ ồ n à y , n g à n h khoa học được p h â n t h à n h 3 l o ạ i h ì n h hay 3
thang bậc k h á c nhau trong m ố i quan h ệ v ớ i thực t i ễ n :
- C á c n g à n h khoa học c ơ bản;
6
- C á c n g à n h khoa học c ô n g nghệ: là sản p h ẩ m của khoa học c ơ bản k ế t hợp v ớ i c ô n g
n g h i ệ p và k i n h t ế ;
- C á c n g à n h khoa học ứng dụng: là sản p h ẩ m của 2 n g à n h t r ê n , n ó chỉ ra l ĩ n h vực
đ ờ i sống m à trong đ ó c á c n g à n h khoa học và c ô n g n g h ệ được ứng d ụ n g .
Công nghệ
sinh học
Các ngành khoa học
về sự sống
Các ngành khoa
học cơ bản
Các ngành khoa
học - công nghệ
CNSH úng
dụng
Di truyền học
Kỹ thuật di
truyền
1. CNSH y học:
- Công nghệ
vacxin và chế
phẩm dược
2. CNSH nong
nghiệp:
- Công nghệ vi
nhân giống
thực vật
- Công nghệ
nhân bản động
vật
- Công nghệ tạo
giống mới
3. CNSH môi
trưòng-sinh thái
và năng lượng tái
sinh
Sinh phân tử
Sinh hoa học
Sinh lý học
Toán sinh học
Điều khiển học
sinh học
Genom học
Protein học
Tế bào học
Mô phôi học
Sinh thái học
Bệnh học
Miễn dịch học
Công nghệ tế
bào
Công nghệ
erưym và
protein
Công nghệ vi
sinh
Công nghệ lên
men
Công nghệ
vacxin và chế
phẩm dược
Các ngành khoa
học công nghệ ^ Ị Ị
Sơ đồ 1.2. Quan hệ biện chứng giữa các ngành
Khoa học Công nghệ
Công nghệ điện
tử
Công nghệ lazer
Năng lượng
nguyên tử
Công nghệ vật
liệu
Tự động hoa
Công nghệ chế
tạo máy
Các ngành
khoa học tự
nhiên khác
Các ngành khoa
học cơ bản
- Toán học
- Vật lý học
- Hoa học
- Tin học
- Thiên văn
học
- Các ngành
khoa học về
trái đất.
Công nghệ
thông tin
Công nghệ nano
khoa học công
nghệ
Ì
TRIÊT HỌC
KINH TẾ HỌC
KHOA HỌC CHÍNH TRỊ VÀ LỊCH s ử
ũ
- Thế giói quan: Quan hệ giữa
vặt chất và tinh thần, vật chất và
vận động, vật chất và năng lượng,
tinh thần là một thuộc tính của vật
chất có tổ chức cao. Luận về con
người như một sản phẩm của tự
nhiên và dự báo vai trò của CNSH
đối với tiến hoa của chính con
người.
- Phép biện chứng: Các quy luật
phổ biến của vận động vật
chất.vận động xã hội và tư duy.
Tổng hoa các mối quan hệ tương"
tác giữa các sự vật và hiện tượng
trong vũ trụ. Vận động sinh học và
vận động vũ trụ.
- Nhận thức luận: Các phương
pháp nhận thức cơ bản. Thực
nghiệm khoa học và thực tiễn
khách quan là tiêu chuẩn của
chân lý. Vai trò của khoa học
trong việc phát hiện các quy luật
vận động, từ đó giải thích và dự
báo phát triển CNSH trên nền dữ
liệu hiện có. Quan điểm hệ thống
trong xem xét sự vật.
- Các quy luật phát triển xã hội,
quan hệ giữa người với nguôi và
xã hội loài người với thiên nhiên.
- Quan hệ giữa chế độ xã hội,
tính tiền phong của chế độ xã
hội và phát triển khoa học công
nghệ. Luật pháp và chính sách
phát triển tiên tiến quyết định
thành tựu phát triển KHCN và
giáo dục ỏ các quốc gia.
- Tác động của khoa học
công nghệ lên con người:
Phương tiện sản xuất và
phương tiện sống - môi trường
sống - năng suất lao động - các
phương tiện nhận thức của con
người. CNSH và tác động của
nó lên bản thân con người: tiềm
năng trí tuệ và khả năng sáng
tạo, sức khoe, tuổi thọ...
- Vai trò quyết định của KHCN
đối với việc giải quyết các vấn
đề phát triển kinh tế-xã hội.
- Quan điểm lịch sử trong nhận
thức luận khoa học.
- Quan hệ giữa kinh tế
và khoa học công nghệ.
- Đòn bẩy kinh tế đối
với phát triển khoa học
công nghệ.
- Đòn bẩy khoa học
công nghệ đối với phát
triển kinh tế.
- Dự báo kinh tế, thị
trường, dự báo tương lai
quy định định hướng
phát triển KHCN ở các
quốc gia. Dự báo thị
trường Nông nghiệp-Y
dược, dự báo môi
trường sinh thái quy
định định hướng nghiên
cứu CNSH.
- Dự báo vai trò quyết
định của CNSH đoi với
phát triển nông- lâm ngư nghiệp - y dược và
môi trường sinh thái.
Chính sách quốc gia về
phát triển CNSH.
1.2.1. C á c n g à n h k h o a học c ơ b ả n v ề sự sống
- Di truyền học
Sinh hoa học
- Sinh học p h â n tử
Bệnh học
- T ế b à o học
Phỏng sinh học
- M ô p h ô i học
Đ i ề u k h i ể n học sinh học
- Sinh lý học
T o á n sinh học
- M i ễ n dịch học và c á c khoa học k h á c
G e n o m học
- Sinh thái học
Protein học
- D i t r u y ề n học lý thuyết
Nano sinh học
Vv...
C á c n g à n h khoa học c ơ bản v ề sự sống m ớ i nhất h i ệ n nay c ó t h ể n ó i là genom học
(genomics) bao g ồ m c ấ u trúc, t ổ chức và chức n ă n g của t ừ n g gen, n h ó m gen, h ệ t h ố n g
8
gen, c á c h ệ đ i ề u h à n h gen. R i ê n g genom n g ư ờ i c ó chứa đ ế n k h o ả n g 30.000 gen k h á c
nhau, m ỗ i gen l ạ i c ó c á c h ệ đ i ề u h à n h phức tạp và n h i ề u c h i ề u . M ỗ i gen l ạ i chứa trong
n ó h à n g t r ă m đ ế n h à n g n g h ì n c á c nucleotid v ớ i c á c t r ì n h tự đặc t h ù . M ỗ i gen và n h ó m
gen l ạ i k è m theo n ó h ệ đ i ề u k h i ể n phức tạp trong m ố i quan h ệ v ớ i c á c giai đ o ạ n phát
t r i ể n k h á c nhau của t ế b à o , của cá t h ể và m ô i trường sống. D o t í n h phức tạp n h ư v ậ y n ê n
genomics chắc chắn sẽ p h ả i trở t h à n h m ộ t khoa học đ ộ c l ậ p . T ư ơ n g t ự n h ư v ậ y sẽ là
protein học, t o á n sinh học, đ i ề u k h i ể n học sinh học và nano sinh học... sẽ d ầ n trở t h à n h
c á c n g à n h học c h u y ê n sâu.
1.2.2. C á c n g à n h k h o a h ọ c c ô n g n g h ệ v ề s ự s ố n g - C ô n g n g h ệ s i n h h ọ c
Sự p h á t t r i ể n của c á c khoa
n g à n h Khoa
học - Công
học cơ bản v ề sự sống đ ã và sẽ d ẫ n đ ế n sự ra đ ờ i của c á c
nghệ của C N S H , trong đ ó bao g ồ m :
- K ỹ nghệ d i t r u y ề n (genetic engineering).
- C ô n g nghệ t ế b à o (cell biotechnology).
- C ô n g n g h ệ enzym và protein (protein and enzym technology).
- C ô n g n g h ệ v i sinh (microbiotechnology).
- C ô n g n g h ệ l ê n men ( í e r m e n t a t i o n technology).
- C ô n g n g h ệ vacxin và c h ế p h ẩ m dược (vacxin and biopharmaceutical technology)
và c á c khoa học c ô n g n g h ệ k h á c .
1.2.3. C á c n g à n h c ô n g n g h ệ s i n h học ứ n g d ụ n g
Sự p h á t t r i ể n của c á c khoa học - c ô n g nghệ sinh học sẽ tạo ra sự b ù n g n ổ của c á c
lĩnh vực k h á c nhau của khoa học CNSH
ứng dụng,
bao g ồ m :
- CNSH y học: c ô n g n g h ệ vacxin và c h ế p h ẩ m dược, l i ệ u p h á p gen,...
- C N S H N ô n g L â m N g ư n g h i ệ p : c ô n g n g h ệ v i n h â n g i ố n g thực v ậ t , c ô n g n g h ệ
n h â n bản đ ộ n g v ậ t , C N S H tạo g i ố n g m ớ i , C N S H bảo v ệ sức khoe v à d i n h d ư ỡ n g c â y
trồng, vật n u ô i .
- CNSH M ô i trường - Sinh thái
- CNSH và n ă n g lượng sinh học
- CNSH và v ậ t l i ệ u m ớ i
1.2.4. C á c n g à n h k h o a học c ô n g n g h ệ t ự n h i ê n
Sự p h á t t r i ể n của c á c n g à n h khoa học tự n h i ê n n h ư t o á n học, v ậ t lý học, hoa học, tin
học, t h i ê n v ă n học và c á c n g à n h khoa học v ề trái đ ấ t đ ã tạo ra h à n g loạt c á c n g à n h Khoa
học - C ô n g n g h ệ ( K H C N ) tự n h i ê n như:
- C ô n g nghệ c h ế tạo m á y
- C ô n g n g h ệ đ i ệ n tử
- C ô n g n g h ệ lazer
9
- N ă n g lượng n g u y ê n tử
- C ô n g n g h ệ vật l i ệ u
- T ự đ ộ n g hoa
- C ô n g nghệ t h ô n g t i n
- C ô n g nghệ nano và n h i ề u n g à n h k h á c
C á c n g à n h K H C N n à y đ ã tạo ra c á c cuộc c á c h m ạ n g c ô n g n g h i ệ p , l à m b i ế n đ ổ i t ậ n
gốc c á c p h ư ơ n g t i ệ n sản xuất và p h ư ơ n g t i ệ n nhận thức của loài n g ư ờ i , c ũ n g n h ư l à m
thay đ ổ i toàn bộ đ ờ i sống x ã h ộ i . C h ú n g tạo ra những c ô n g cụ k h ô n g t h ể t h i ế u đ ố i v ớ i sự
p h á t t r i ể n của c á c n g à n h khoa học v ề sự sống và tạo t i ề n đ ề cho sự ra đ ờ i của C N S H ở
c u ố i t h ế k ỷ thứ X X .
D o v ậ y , m u ố n p h á t t r i ể n C N S H p h ả i h i ể u rõ n ề n tảng, c á c bước đ i lịch sử k h ô n g t h ể
t h i ế u được, xu h ư ớ n g p h á t t r i ể n của CNSH trong m ố i quan h ệ b i ệ n chứng v ớ i k i n h t ế x ã h ộ i . C ô n g nghệ sinh học là q u á trình tổng hợp và c h u y ể n hoa c á c t r i thức v à k ỹ thuật
về sự sống t h à n h c ô n g nghiệp sinh học. Công
nghiệp
sinh
học
là q u á t r ì n h sản x u ấ t
h à n g loạt, quy m ô l ớ n c á c sản p h ẩ m sinh học bao g ồ m c á c hoạt chất sinh học, v ậ t l i ệ u
sinh học, sinh k h ố i t ế b à o đ ộ n g , thực vật và v i sinh vật ( c ô n g n g h i ệ p lên men), c á c c h ế
p h ẩ m sinh học ( k h á n g sinh, c á c enzym, protein, peptid hoạt t í n h n h ư i n t e r í e r o n , i n s u l i n ,
hormon sinh trưởng v.v...), c á c vacxin và thuốc chữa bệnh và c á c c ơ t h ể sống ( h à n g t r â m
t r i ệ u cây trồng, vật n u ô i ) .
Phải nói t h ê m rằng sự p h á t t r i ể n của K H C N n ó i chung và C N S H n ó i r i ê n g k h ô n g t h ể
t á c h r ờ i sự p h á t t r i ể n của tư tưởng triết học và c h í n h trị. N g à y nay k h ô n g m ộ t khoa học
gia c h â n c h í n h n à o c ó t h ể đứng n g o à i k i n h t ế , c h í n h trị v à lịch sử p h á t t r i ể n của q u ố c gia.
Khoa học - C ô n g nghệ đã, đ a n g và sẽ là đ ò n b ẩ y vĩ đ ạ i nhất đ ố i v ớ i v ă n m i n h n h â n l o ạ i
và t i ế n b ộ của m ỗ i d â n tộc. K h o a học - C ô n g nghệ c ò n là g i ả i p h á p duy n h ấ t đ ể cứu v ã n
n h â n l o ạ i đ a n g rơi v à o cuộc khủng khoảng m ô i trường sinh t h á i v à n ă n g l ư ợ n g . M ặ t
k h á c , sự p h á t t r i ể n của m ỗ i m ộ t n g à n h khoa học c ô n g n g h ệ m ớ i đ ề u c ầ n đ ế n n h ữ n g
quyết s á c h mạnh m ẽ v ớ i t ầ m n h ì n rộng l ớ n của c á c l ã n h tụ quốc gia.
Sự trì trệ trong p h á t t r i ể n khoa học - c ô n g nghệ và g i á o dục của m ộ t d â n tộc trước
hết thuộc v ề t r á c h n h i ệ m của lãnh đ ạ o cao nhất của quốc gia đ ó . T ổ chức h ệ thống,
những c ơ chế, c h í n h s á c h quản lý khoa học, c ô n g n g h ệ của nước ta h i ệ n nay h ế t sức lạc
hậu, t h i ế u c ă n cứ khoa học và t ầ m n h ì n c h i ế n lược. Đ ó là n g u y ê n n h â n quan t r ọ n g l à m
khoa học nước n h à đ a n g bị h ẫ n g hụt, t h i ế u tính k ế thừa, t í n h lịch sử trong sự p h á t t r i ể n
đi lên. N ó đ a n g bị t h i ế u hụt tính h ệ thống, tính n ă n g đ ộ n g , t í n h mục tiêu v à đ ị n h h ư ớ n g
c h i ế n lược.
Nước ta và hầu hết c á c nước đ a n g p h á t t r i ể n h i ệ n nay ở c h â u Á , c h â u Phi và M ỹ L a
tinh đ ề u n g h è o n à n , lạc h ậ u do đ ã đi sau m ộ t l ầ n trong cuộc c á c h m ạ n g c ô n g n g h i ệ p l ầ n
thứ nhất và l ầ n thứ hai. D o v ậ y , c h ú n g ta p h ả i tranh t h ủ c ơ h ộ i đ ể k h ô n g tụt h ậ u trong
cuộc c á c h mạng c ô n g nghiệp sinh học l ầ n n à y .
10
1.3. L Ị C H SỬ C Ô N G N G H Ệ S I N H H Ọ C VÀ V Ấ N Đ Ể B Ả N C H Ấ T C Ủ A s ự S Ố N G
1.3.1. T ó m t ắ t c á c g i a i đ o ạ n p h á t t r i ể n c ủ a c ô n g n g h ệ s i n h h ọ c v à c á c s ả n
c h í n h của
phẩm
CNSH
a) C N S H đ ã h ì n h t h à n h và ứng d ụ n g trước k h i c ó k h á i n i ệ m C N S H
T ừ t h ờ i xa x ư a , con n g ư ờ i đ ã biết:
- Sản x u ấ t r ư ợ u , bia, c á c c h ế p h ẩ m sữa, m ộ t số l o ạ i nước g i ả i k h á t .
- Sản x u ấ t c á c axit và dung m ô i h ữ u cơ.
- C ô n g n g h i ệ p k h á n g sinh v ớ i c á c n ồ i lên men h à n g t r ă m n g à n lít.
b) G i a i đ o ạ n t ừ 1 9 6 0 -
1975
- C ô n g n g h ệ t ế b à o thực vật (nuôi cấy m ô ) bắt đ ầ u sản x u ấ t h à n g t r i ệ u c ấ y g i ố n g
sạch bệnh trong đ i ề u k i ệ n n h â n tạo.
- Sản x u ấ t axit amin, axit glutamic, c á c enzym, k h á n g sinh bằng c ô n g n g h i ệ p l ê n
men sinh k h ố i k h ổ n g l ồ . Sản x u ấ t c á c chất b ổ sung dinh d ư ỡ n g cho n g ư ờ i , c h ă n n u ô i ,
n g u y ê n l i ệ u c ô n g n g h i ệ p dược và chất t ẩ y rửa.
c) G i a i đ o ạ n t ừ sau
1975
- H ì n h t h à n h k ỹ thuật A D N tái tổ hợp, k h á i n i ệ m C N S H và c ô n g n g h i ệ p sinh học trở
nên phổ biến.
- Thuốc chữa b ệ n h và p h ò n g bệnh cho n g u ô i và gia s ú c : insulin, i n t e r í e r o n , vacxin...
tạo ra n h ờ c á c k ỹ thuật tái t ổ hợp A D N và c h u y ể n gen
- C á c chất đ i ề u t i ế t sinh trưởng, p h á t t r i ể n và sinh sản c â y trồng, v ậ t n u ô i đặc b i ệ t là
hormon sinh t r ư ở n g và c á c chất hoạt tính sinh học k h á c .
- C á c b ộ kít và p h ư ơ n g p h á p chẩn đ o á n bệnh.
- C ấ y t r u y ề n hợp tử và c á c k ỹ thuật n h â n giống và n h â n bản đ ộ n g vật.
- Chất b ổ sung thức ă n gia s ú c : vitamin, axit amin, sinh k h ố i t ế b à o , n ấ m men.
- N h â n g i ố n g c â y sạch bệnh quy m ô l ớ n .
1.3.2. N h ữ n g p h á t m i n h c ă n b ả n c ủ a n h â n l o ạ i t r o n g l ĩ n h v ự c s i n h h ọ c d ẫ n đ ế n sự
ra đ ờ i của
1.3.2.1.
CNSH
Phát
minh
ra tê bào, quá trình phân
bào và phân
hoa cơ
quan
- N ă m 1665 Robert Hooke quan sát thấy t ế b à o sống d ư ớ i k í n h h i ể n v i v à đ ư a ra
khái
niệm tê bào
"Cell".
- Anton Van Leuvven Hoek (1632-1723), thiết k ế kính h i ể n v i khuếch đ ạ i được 270 l ầ n ,
lần đ ầ u tiên quan sát thấy v i khuẩn, t ế b à o tinh trùng trong tinh dịch n g ư ờ i và động vật.
- Matthias Schleiden và Theodore Schvvann đ ề x ư ớ n g học thuyết c ơ bản của sinh học
g ọ i là Học thuyết
tế bào năm
1838:
li
+ M ọ i c ơ t h ể sống được c ấ u tạo b ở i m ộ t hoặc n h i ề u t ế b à o .
+ T ế b à o là đ ơ n vị c ấ u t r ú c và chức n ă n g c ơ bản của c ơ t h ể sống, là h ì n h thức n h ỏ
nhất của sự sống.
+ T ế b à o chỉ được tạo ra từ t ế b à o t ồ n t ạ i trước đ ó .
- Oscar H e r t w i g (1875) chứng m i n h bằng quan sát trên k í n h h i ể n v i r ằ n g sự t h ụ thai
là do sự hợp nhất của n h â n tinh t r ù n g và n h â n trứng.
- Hermann p, Schneider F. A . và Butschli o . đ ã m ô tả c h í n h x á c q u á t r ì n h p h â n chia
t ế b à o , n ă m 1883, W i l h e l m Roux l ầ n đ ầ u tiên đ ã lý g i ả i v ề sự g i ả m p h â n trong p h â n b à o
g i ả m n h i ễ m ở c ơ quan sinh dục.
1.3.2.2. Phát minh sự phát triển của cơ thể sống là kết quả của sự phân hoa của
tê bào
C u ố i t h ế k ỷ X V I I và đ ầ u t h ế k ỷ X V I I I , n g ư ờ i ta nghĩ r ằ n g trong t i n h t r ù n g đ ã chứa
đựng toàn b ộ n g ư ờ i trưởng t h à n h d ư ớ i dạng thu n h ỏ . Sự p h á t t r i ể n được coi n h ư sự p h ó n g
đ ạ i đ ơ n g i ả n cua h ì n h n h â n . C á c h h ì n h t h à n h c á c con vật t ừ p h ô i t r ở t h à n h đ ố i tượng
tranh l u ậ n khoa học trong suốt t h ế k ỷ X V I I I cho đ ế n c u ố i t h ế k ỷ X I X . C ó hai t r ư ờ n g
p h á i đ ố i l ậ p nhau:
Đ ố i v ớ i những n g ư ờ i theo thuyết t i ề n tạo, con vật m ớ i h ì n h t h à n h h o à n t o à n v ớ i đ ầ y
đ ủ c á c c ơ qụan đ ã c ó m ặ t ở dạng thu n h ỏ trong trứng (hoặc trong t i n h t r ù n g ) , đ ố i v ớ i
những n g ư ờ i ủng h ộ thuyết "vi động vật" (khoảng t h ờ i k ỳ 1651 - 1700). N h à T ự n h i ê n
học T h ụ y Sĩ Charles Bonnet (1720 - 1793) quan sát được h i ệ n tượng t r i n h sản ở con r ệ p
(trong t h í n g h i ệ m , m ộ t con rệp cái được c ô l ậ p m ộ t c á c h c ẩ n t h ậ n sinh ra 95 r ệ p con m à
k h ô n g cần rệp đực), từ đ ó n g ư ờ i ta k ế t l u ậ n rằng những con v ậ t m ớ i đ ã t ồ n t ạ i h o à n
chỉnh trong trứng của con vật c á i .
Đ ố i v ớ i những n g ư ờ i theo thuyết
biểu sinh: trứng ban đ ầ u k h ô n g c ó m ộ t d ấ u v ế t t ổ
chức n à o và p h ô i được h ì n h t h à n h d ầ n d ầ n bằng q u á t r ì n h x â y d ự n g c ó sự đ ó n g g ó p
"giống" của cả cha và m ẹ . N h ữ n g n g ư ờ i theo thuyết b i ể u sinh n h ư B u f f o n v à Maupertuis
lưu ý rằng cả cha và m ẹ đ ề u g ó p phần h ì n h t h à n h con v ậ t m ớ i (sự quan sát con la chứng
tỏ đ i ề u đ ó ) .
Phát triển phôi
và phân
hoa tế bào trở thành
một khoa
học trong đ ó t r ì n h t ự hoạt
đ ộ n g của t h ô n g t i n d i t r u y ề n và đ i ề u k h i ể n hoạt hoa của gen trong q u á t r ì n h p h á t t r i ể n c á
thể c ó ý nghĩa quan trọng. Khoa học v ề đ i ề u k h i ể n học sinh học ra đ ờ i sau n à y p h á t t r i ể n
song song v ớ i c á c t h à n h tựu v ề h ệ đ i ề u h à n h hoạt hoa của gen.
1.3.2.3. Phát minh quá trình tiến hoa của sinh giới và vật liệu mang thông tín di
truyền
N ă m 1859, Charles D a r w i n - Cha đ ẻ của học thuyết t i ế n h ó a trong sinh học - đ ã x u ấ t
bản cuốn " N g u ồ n gốc của c á c loài tạo ra b ở i chọn lọc tự n h i ê n " . Trong đ ó l ầ n đ ầ u t i ê n
đưa ra quan đ i ể m lịch sử của p h á t t r i ể n sinh g i ớ i và lý g i ả i sự t i ế n hoa của c á c loài:
- Sự t i ế n h ó a trong sinh g i ớ i đ ã x ả y ra n h ờ d i t r u y ề n , b i ế n d ị và c h ọ n l ọ c t ự n h i ê n .
12
- M ỗ i m ộ t loài đ ề u c ó t h ể c ó quan h ệ m ậ t t h i ế t v ớ i c á c loài k h á c b ở i c ù n g c ó m ộ t t ổ
tiên chung.
T i ế p sau đ ó , Gregor Mendel cha đ ẻ của d i t r u y ề n học đ ã p h á t h i ệ n c á c quy l u ậ t c ơ
bản đ ầ u tiên của d i truyền:
- C á c tính trạng được d i truyền từ t h ế h ệ n à y sang t h ế h ệ kia theo c á c quy luật thống kê.
- T í n h trạng được x á c định b ở i c á c y ế u t ố d i t r u y ề n (sau n à y n g ư ờ i ta g ọ i là gen).
Oskar H e r t w i n g và Edouard Strasburger, trong những n ă m 1880 đ ã p h á t h i ệ n n h â n
t ế b à o là trung t â m của d i t r u y ề n . Cho t i ê m v ậ t l i ệ u d i t r u y ề n t ừ v i k h u ẩ n chết v à o v i
khuẩn sống. Chất h ó a học c h ư a b i ế t (được g ọ i là y ế u t ố G r i f f i t h ) t ừ m ộ t n ò i v i k h u ẩ n g â y
bệnh bị giết chết đ ã t h â m nhập v à o m ộ t n ò i v i k h u ẩ n sống k h ô n g c ó k h ả n ă n g g â y bệnh.
K ế t quả n ò i v i k h u ẩ n v ố n k h ô n g c ó k h ả n ă n g g â y b ệ n h n à y đ ã được c h u y ể n h ó a t h à n h
chủng g â y bệnh. Sau n à y , Osvvald A v e r y và đ ồ n g n g h i ệ p (1944) đ ã chứng m i n h được vật
l i ệ u d i truyền do G r i f f i t h t ì m ra hay
deoxyribonucleic ( A D N ) .
" y ế u t ố G r i f f i t h " c h í n h là m ộ t p h â n tử axit
1.3.2.4. Phát minh vai trò của ADN đối với sự sống
Ba đặc trưng c ơ bản của sự sống là sinh sản, trao đ ổ i chất và t i ế n hoa. T í n h chất của
A D N quy định cả ba đặc t r ư n g c ơ bản n à y .
James Watson và Francis Crick (1953) p h á t m i n h c ấ u t r ú c sợi k é p của A D N . Sợi
x o ắ n k é p h ì n h t h à n h theo đ ị n h luật Watson v à Crick, trong đ ó : m ộ t b a z ơ trên m ộ t sợi
A D N l u ô n l u ô n t ư ơ n g đ ồ n g hoặc bắt cặp v ớ i m ộ t b a z ơ t ư ơ n g ứng ở sợi kia. A d e n i n chỉ
g h é p cặp v ớ i T h y m i n và Cytosin chỉ g h é p cặp v ớ i Guanin. H ệ q u ả của định luật g h é p cặp
n à y là hai m ạ c h của v ò n g x o ắ n k é p b ổ sung cho nhau n h ư c h ì a k h ó a v à ổ k h ó a . K h i hai
sợi t á c h r ờ i nhau, m ỗ i sợi n à y l ạ i c ó t h ể quyết định v i ệ c x â y d ự n g m ộ t m ạ c h m ớ i b ổ
sung cho n ó d ẫ n đ ế n sự n h â n đ ô i của A D N . N h ư v ậ y c ấ u t r ú c v ậ t lý của p h â n tử A D N
g i ả i thích m ộ t gen c ó t h ể tự sao c h é p c h í n h x á c n h ư t h ế n à o m ỗ i l ầ n t ế b à o p h â n chia.
- Cũng v à o n ă m 1953, G. G a m o w cho biết d i t r u y ề n tính trạng p h ả i t h ể h i ệ n qua
tổng hợp c á c protein trong t ế b à o .
- Han Gobind Khorana và Marshall Nirenberg (1966 -1967) p h á t m i n h m ã d i t r u y ề n .
T ừ đây " đ ị n h l u ậ t t ư ơ n g ứ n g " giữa c á c n h ó m chập ba nucleotid (triplet hay c ò n được g ọ i
là codons) của A D N và c á c axit amin của c á c protein đ ã được l à m s á n g t ỏ h o à n t o à n .
Trong đ ó :
+ M ô h ì n h hai sợi x o ắ n k é p của A D N lý g i ả i k h ả n ă n g sinh sản bằng n h â n đ ô i của
A D N là cơ sở lý g i ả i h i ệ n tượng d i t r u y ề n tính trạng, sinh sản ở sinh g i ớ i .
+ Trong q u á t r ì n h sinh sản của p h â n tử và t ế b à o l ạ i x ả y ra m ộ t số sai sót d ẫ n đ ế n
đ ộ t b i ế n và tái t ổ hợp gen tạo ra t i ề n đ ề cho b i ế n dị và t i ế n hoa.
1.3.2.5. Tổng họp gen, kỹ thuật ADN tái tổ hợp và thao tác di truyền ở mức phân
tử và tê bào
- N ă m 1960, Jacob. F. và M o n o J. ( g i ả i t h ư ở n g N o b e l n ă m 1964) l ầ n đ ầ u tiên đ ã
p h á t m i n h k h á i n i ệ m o p e r o n . Operon hay n h ó m chức n ă n g là n h ó m c á c gen liên quan
13
v ớ i nhau theo c á c chức n ă n g h ó a học nhất định trong m ộ t c h u ỗ i c á c p h ả n ứng sinh h ó a .
Operon g ồ m c ó :
Các gen cấu trúc (structural genes): quy đ i n h c ấ u t r ú c bậc n h ấ t hay t r ì n h t ự axit
amin của enzym hoặc protein.
Gen điều chỉnh (regulatory genes): đ i ề u k h i ể n hoạt hoa của c á c gen c ấ u t r ú c .
P h á t m i n h n à y m ở ra c á c n g h i ê n cứu n g à y c à n g sâu v ề h ệ đ i ề u h à n h hoạt h ó a của
gen trong t ế b à o . Jacob F . và M o n o J. cũng đ ã p h á t m i n h vai t r ò của A R N t h ô n g t i n
( m A R N ) trong c ơ c h ế hoạt đ ộ n g của gen: gen ( A D N ) quy đ ị n h t r ì n h t ự nucleotid của
A R N t h ô n g t i n , t i ế p đ ế n trình tự nucleotid trong A R N t h ô n g t i n l ạ i quy đ ị n h t r ì n h t ự axit
amin trong p h â n tử protein. T í n h đặc thù của protein l ạ i quy đ ị n h c ấ u t r ú c v à m ọ i q u á
trình hoa học x ả y ra trong c ơ t h ể sống.
N h ư v ậ y , n h â n l o ạ i đ ã p h á t m i n h c á c c ô n g đ o ạ n c ơ b ả n trong d ò n g c h ả y của t h ô n g
tin d i truyền: D N A - A R N - protein.
- N ă m 1967, A r t h u r Kornberg và cộng sự đ ã t ổ n g hợp được A D N của m ộ t virus
trong p h ò n g t h í n g h i ệ m .
- N ă m 1969, R. Edwards l ầ n đ ầ u tiên t h ụ thai t h à n h c ô n g m ộ t trứng n g ư ờ i t h ụ t i n h
ngoài cơ thể.
- N ă m 1970, Khorana H . G đ ã t h à n h c ô n g t ổ n g hợp n h â n tạo m ộ t gen. C ù n g n ă m
n à y , Hamiton và Smith đ ã t á c h chiết được enzym cắt g i ớ i h ạ n ở Haemophilus
infỉuenzae
và x á c định được rằng enzym n à y chỉ cắt A D N ở đ o ạ n c ó t r ì n h t ự nucleotid đ ặ c t h ù .
- Paul Berg và c ộ n g sự (1972) là những n g ư ờ i đ ầ u t i ê n sử d ụ n g e n z y m cắt đ ể m ở
n h i ễ m sắc t h ể m ạ c h v ò n g của E. c o l i và cài v à o đ ó m ộ t A D N n g o ạ i l a i ( A D N của virus
g â y bệnh ung t h ư ở n g ư ờ i ) , tạo ra p h â n tử A D N tái t ổ hợp đ ầ u t i ê n . C ô n g t r ì n h n à y được
nhận g i ả i t h ư ở n g Nobel n ă m 1980.
- N ă m 1973. S.'Cohen và H . Boyer h o à n chỉnh p h ư ơ n g p h á p c h u y ể n gen n g o ạ i l a i
v à o c á c v i k h u ẩ n , m ở đ ầ u t h ờ i đ ạ i k ỹ thuật d i t r u y ề n . N h ờ v ậ y , v i ệ c n h â n nhanh m ộ t gen
v ớ i số lượng tuy ý c ó t h ể thực h i ệ n được t h ô n g qua c h u y ể n gen v à o v i k h u ẩ n ( k ỹ thuật
n à y g ọ i là n h â n d ò n g gen - gene cloning).
1.3.2.6. Phát minh mới về vai trò của các ARN
Sidney A l t m a n và Thomas Cech được trao g i ả i N o b e l n ă m 1989 do p h á t h i ê n ra r ằ n g
A R N c ó k h ả n ă n g hoạt đ ộ n g n h ư m ộ t chất x ú c tác (catalyst) v à c á c enzym c ó b ả n c h ấ t
A R N được g ọ i c á c R i b o z y m . P h á t m i n h n à y m ở ra quan n i ệ m h o à n t o à n m ớ i v ề vai t r ò
của A R N . Quan đ i ể m trước đ ó cho rằng A R N chỉ đ ó n g vai t r ò trung gian giữa A D N và
protein. C á c n g h i ê n cứu sau đ ó cho t h ấ y A R N c ó t h ể tự x ú c t á c đ ể t ự sao c h é p và t ổ n g
hợp c á c p h â n tử A R N k h á c . K h á m p h á đ ó đ ã d ẫ n đ ế n ý tưởng cho r ằ n g A R N là v ậ t l i ệ u
d i t r u y ề n đ ầ u tiên trên trái đ ấ t . H i ệ n nay khoa học đ ã k h ẳ n g đ ị n h r ằ n g ribosomal R N A
x ú c tác tạo liên k ế t peptid giữa c á c axit amin trong q u á trình dịch m ã . P h á t h i ệ n sau đ ó
14
c ò n cho t h ấ y A R N k h ô n g chỉ n h ư chất x ú c t á c , m à c ò n đ ó n g vai t r ò quan trọng h ơ n nữa
trong đ i ề u k h i ể n b i ể u h i ệ n gen:
- M ộ t số lượng l ớ n c á c p h â n tử A R N n h ỏ k h ô n g đ ó n g vai trò n h ư m ã d i truyền m à liên
k ế t v ớ i protein đ ể tạo ra các phức hợp g ọ i là ribonucleoprotein. C á c
ribonucleoprotein
ảnh
hưởng trực tiếp lên c á c q u á trình p h i ê n m ã (transcription), dịch m ã (translation), n h â n bản
A D N và c ấ u trúc n h i ễ m sắc t h ể (ví d ụ g â y x o ắ n sợi n h i ễ m sắc thể).
- T r o n g những n ă m đ ầ u của thập k ỷ 1980, n g ư ờ i ta đ ã p h á t h i ệ n t h ấ y c á c p h â n t ử
A R N n h ỏ (dài k h o ả n g 100 nucleotid, sau n à y được g ọ i là c á c A R N đ ố i nghĩa) trong v i
k h u ẩ n Escherichia
coli c ó t h ể b á m v à o c á c trình tự t ư ơ n g đ ồ n g trong m A R N và ức c h ế
phiên m ã ( M i z u n o và cs, 1984; Nordstrom và Wagner, 1994). N g à y nay, đ ã b i ế t khoảng
25 trường hợp trình tự A R N đ ố i nghĩa (antisense A R N ) , c ó k h ả n ă n g t r i ệ t tiêu hoạt hoa
của c á c m A R N và đ i ề u t i ế t q u á trình dịch m ã trong E.coli
(Gottesman, 2004). Sự đ i ề u
hoa q u á trình dịch m ã b ở i antisense A R N c ũ n g x ả y ra trong sinh v ậ t n h â n chuẩn n h ư đ ã
được m i n h hoa n ă m 1993 cho t h ấ y vai trò của antisense A R N quy đ ị n h sự p h á t t r i ể n của
tuyến trùng Caenorhabditis
elegans
(Lee v à cs, 1993; W i g h t m a n và cs, 1993).
H i ệ n tượng g â y bất hoạt gen b ở i A R N đ ố i nghĩa, c ó k í c h thước l ớ n sau đ ó đ ã được
p h á t h i ệ n ở c á c c ơ t h ể sống n h â n thực (antisense A R N ) .
Phát m i n h gần đ â y nhất, được coi là p h á t m i n h l ớ n nhất của khoa học c u ố i t h ế k ỷ
X X là phát m i n h vai t r ò của c á c A R N ngắn đ ố i v ớ i đ i ề u k h i ể n hoạt hoa gen ở c á c c ơ t h ể
sống n h â n thực. C á c A R N ngắn c ó k í c h thước v à o k h o ả n g 21-27
nucleotids g ọ i là
s i A R N (short R N A ) hoặc m i A R N (micro R N A ) c ó k h ả n ă n g b á m v à o c á c trình t ự tương
đồng v ớ i n ó trên c á c sợi A R N (có t h ể là m A R N hoặc A R N của virus, c á c l o ạ i A R N
t h â m nhập v à o c ơ t h ể v à t ế b à o theo c á c con đ ư ờ n g k h á c nhau), l à m cho c á c sợi A R N
n à y trở t h à n h sợi k é p ở m ộ t đ o ạ n ngắn. C á c enzym đặc t h ù (chỉ m ớ i t h ấ y ở c á c t ế b à o
n h â n thực) c ó k h ả n ă n g n h ậ n b i ế t c á c trình tự k é p ngắn đ ó v à cắt sợi A R N l à m đ ô i , g â y
bất hoạt gen.
Sự bất hoạt của gen c ó t h ể x ả y ra ở hai mức đ ộ k h á c nhau: B ấ t hoạt gen ở giai đ o ạ n
phiên m ã (transcriptional gene silencing TGS) do methyl hoa c á c t r ì n h tự gen (Matzke
và cs,
1989;
Wassenegger và cs,
1994) và sau p h i ê n m ã (post-transcriptional gene
silencing PTGS) (Napoly và cs,1990; V a n der K r o l và cs, 1990; Smith v à cs,1990; de
Carvalho và cs, 1992; van Blokland và cs, 1994). H i ệ n tượng bất hoạt gen sau p h i ê n m ã
(PTGS) đ ã được p h á t h i ệ n ở thực vật, ở n ấ m men Neurospora
carassa,
ở tuyến trùng,
r u ổ i d ấ m và n h i ề u đ ộ n g vật k h á c , k ể cả con n g ư ờ i . H a i n h à khoa học M ỹ Andrevv Fire
và Craig M e l l o đ ã được trao g i ả i t h ư ở n g Nobel n ă m 2006 do c ó c ô n g l ớ n p h á t m i n h ra
c ơ c h ế g â y bất hoạt gen b ở i c á c A R N ngắn m à 2 ô n g g ọ i là A R N i ( A R N i v i ế t tắt từ tiếng
A n h R N A i n t e r í e r e n c e ) . C ô n g nghệ A R N i h i ệ n nay được c á c n h à khoa học và c ô n g
nghiệp sinh học g ọ i là c ô n g n g h ệ đ ầ y sức m ạ n h , c ó k h ả n ă n g can t h i ệ p h i ệ u q u ả v à o
n h i ề u l ĩ n h vực sinh học, n ô n g nghiệp và y học.
15
1.3.3. M ộ t v à i ứ n g d ụ n g c ủ a
CNSH
- N ă m 1977, h ã n g Genetech đ ã tạo ra v i k h u ẩ n b i ế n đ ổ i gen sản x u ấ t được h o r m o n
n g ư ờ i - somatostatin phục vụ mục đ í c h c ô n g nghiệp. N ă m 1978 h ã n g n à y l ạ i sản x u ấ t
được insulin bằng k ỹ thuật t ư ơ n g tự.
- N ă m 1980, h ã n g Biogen sản x u ấ t được i n t e r í e r o n của bạch c ầ u n g ư ờ i bằng k ỹ
thuật d i truyền. I n t e r í e r o n ở n g ư ờ i là m ộ t hợp chất t h i ê n n h i ê n k h á n g virus c ó k h ả n ă n g
l à m t ă n g sức đ ề k h á n g bệnh ở n g ư ờ i và c ó tính k h á n g ung thư.
- N ă m 1984, m ộ t trẻ s ơ sinh đ ầ u tiên ở p h ò n g t h í n g h i ê m của ú c p h á t t r i ể n t ừ m ộ t
p h ô i đ ã được đ ô n g lạnh n h i ề u t h á n g .
- N ă m 1985, n g ư ờ i ta đ ã thu được k ế t q u ả tuyệt v ờ i k h i đ i ề u trị b ệ n h ung t h ư bằng
inteleukin-2, m ộ t protein được sản x u ấ t trên quy m ô c ô n g n g h i ệ p n h ờ c á c v i k h u ẩ n
c h u y ể n gen.
- N ă m 1986, s. Willedson t h ô n g b á o đ ã thực h i ệ n t h à n h c ô n g sự sinh sản v ô t í n h của
cừu c á i .
- N ă m 1990, l ầ n đ ầ u tiên n g ư ờ i ta đ ã thực h i ệ n ca đ i ề u trị b ệ n h do gen t r ê n m ộ t b ệ n h
n h â n gái 4 t u ổ i bị t h i ể u n ă n g m i ễ n dịch. P h ư ơ n g p h á p chữa bệnh bằng l i ệ u p h á p gen đ ã
tỏ ra đ ầ y t r i ể n vọng v ớ i việc đ ư a v à o c á c t ế b à o của c ơ t h ể n g ư ờ i b ệ n h m ộ t gen b ì n h
t h ư ờ n g đ ể chữa bệnh do t h i ế u gen n à y .
- H i ệ n nay, c á c c h ư ơ n g trình n g h i ê n cứu l ớ n mang t ầ m c ỡ t o à n n h â n l o ạ i đ ã ra đ ờ i
và đ a n g được t r i ể n khai, như:
- N ă m 1991, D ự á n Quốc t ế v ề genom n g ư ờ i (human genom project) bắt đ ầ u được
t r i ể n khai v ớ i mục tiêu đ ế n n ă m 2005 đ ọ c t o à n b ộ trình t ự genom của n g ư ờ i v ớ i k h o ả n g
3.000 t r i ệ u cập nucleotid trong giai đ o ạ n 15 n ă m . N ă m 1994, m ộ t n h ó m n g h i ê n cứu
P h á p ở p h ò n g t h í n g h i ệ m G i ê - n ê - t h ô n g ( G é n é t h o n ) c ô n g b ố bản đ ồ đ ầ u tiên v ề h ệ gen
n g ư ờ i và p h ổ b i ế n bản đ ổ đ ó cho t o à n t h ế g i ớ i . V à đ ế n n ă m 2004 t r ê n 21.000 gen ở
n g ư ờ i đ ã được m ã hoa (đọc trình tự);
- C h ư ơ n g trình genom của m ộ t số c á c sinh v ậ t quan trọng;
- C h ư ơ n g trình chức n ă n g genom (functional genomics) v ớ i sự tham gia của n h i ề u
p h ư ơ n g p h á p c ô n g n g h ệ m ớ i n h ư so s á n h Genom (comperative genomics), protein học
(proteomics), c ô n g n g h ệ nano sinh học...
N h ư v ậ y , đ ế n c u ố i thiên n i ê n k ỷ X X sau c ô n g n g u y ê n n h â n l o ạ i chẳng n h ữ n g đ ã x á c
định được bản chất sinh hoa của gen m à c ò n t á c h được gen, c h u y ể n n ó t ừ c ơ t h ể sống
n à y sang c ơ t h ể sống k h á c m ộ t c á c h k h á d ễ d à n g , đ ọ c được t r ì n h tự nucleotid của h ệ gen
và đ a n g từng bước k h á m p h á chức n ă n g của từng gen, của h ệ thống gen v à học c á c h đ i ề u
k h i ể n được hoạt đ ộ n g của c h ú n g . T h ế k ỷ X X I sẽ là t h ế k ỷ của k ỹ thuật d i t r u y ề n v à
CNSH s á n g tạo ra những dạng thức sống m ớ i , c á c thiết bị v ậ t l i ệ u m ớ i , c á c p h ư ơ n g thức
h i ệ n đ ạ i của y học trị l i ệ u vì l ợ i ích của n h â n l o ạ i .
16
1.4. K H Á M P H Á B Ả N C H Ấ T C Ủ A s ự S Ố N G V À V A I T R Ò C H Ủ Đ Ạ O C Ủ A G E N
T ừ t h ờ i t i ề n sử n h â n l o ạ i đ ã bị á m ảnh b ở i những c â u h ỏ i g ầ n n h ư v ĩ n h hằng:
1. Sự sống do đ â u m à c ó ?
2. T h ế n à o là sự sống? C h ấ t sống k h á c v ớ i chất k h ô n g sống ở c h ỗ n à o ?
3. T ạ i sao sinh g i ớ i l ạ i đ a dạng và hài hoa đ ế n n h ư vậy?
4. Y ế u t ố n à o q u y ế t định sự t ồ n t ạ i , v ậ n đ ộ n g và p h á t t r i ể n của sinh giới?
5. Con n g ư ờ i c ó t h ể c ả i tạo sinh g i ớ i k h ô n g và bằng c á c h n à o ?
T ấ t cả những c â u h ỏ i đ ó gần n h ư k h ô n g c ó c â u trả l ờ i cho đ ế n k h i p h á t h i ệ n ra gen,
p h â n tử A D N và hoạt tính sinh học của n ó .
C h ú n g ta c ó thể p h â n biệt chất sống và chất k h ô n g sống bằng 3 đặc tính cơ bản dưới đây:
- K h ả n â n g sinh sản
- K h ả n ă n g trao đ ổ i chất
- K h ả n ă n g d i t r u y ề n , b i ế n dị và t i ế n hoa
Trong đ ó , những thuộc tính của p h â n tử A D N quy đ ị n h c á c đặc t í n h c ă n bản trên
đ â y của c ơ t h ể sống.
1.4.1. Khám phá bản chất của sự sống và khả năng cải tạo sinh giới bằng công nghệ
sinh học
Gen và c ấ u t r ú c của gen quy định m ọ i đặc tính của c ơ t h ể sống và tính đ a dạng
phong p h ú của h ệ sinh t h á i . M u ố n c ả i tạo sinh g i ớ i phải t á c đ ộ n g trực t i ế p v à o gen.
Sau n h ữ n g p h á t m i n h của M e n d e l và M o r g a n , n g ư ờ i ta đ ã k h ẳ n g đ ị n h : M ọ i đặc
t í n h của c ơ t h ể sống do gen quy định. N h ư n g chỉ m ã i đ ế n n ă m 1944 n g ư ờ i ta m ớ i x á c
đ ị n h được gen c h í n h là c á c p h â n tử deoxyribonucleic acid ( A D N ) . Đ ế n n ă m
1953,
Watson và C r i c k đ ã p h á t m i n h c ấ u t r ú c h ì n h sợi g ồ m hai c h u ỗ i x o ắ n k é p t ư ơ n g đ ồ n g
của A D N . M ỗ i sợi A D N là m ộ t p o l y m e r được tạo b ở i c á c t r ì n h t ự sắp x ế p k h á c nhau
của c á c nucleotid. C ó b ố n l o ạ i deoxyribonucleotid: adenin, guanin, cytosin v à t h i m i n .
C ứ ba nucleotid l ạ i tạo ra m ộ t t ổ hợp chập ba (triplet) hay c ò n g ọ i là đ ơ n vị m ã d i
t r u y ề n (codon), b ố n nucleotid v ớ i t ổ hợp chập ba sẽ tạo ra 4 = 64 codon k h á c nhau.
3
C h i ề u d à i của gen t h ư ờ n g r ấ t k h á c nhau. N ế u t í n h m ộ t gen t r u n g b ì n h được t ạ o b ở i
k h o ả n g 900 n u c l e o t i d = 300 codons. Theo lý t h u y ế t v ớ i 64 codon sẽ tạo ra 64.300 c á c
p h â n tử A D N hay c á c gen k h á c nhau.
V ớ i 7 nốt nhạc, n h â n l o ạ i đ ã tạo ra h à n g triệu bài ca. V ớ i 32 c h ữ cái, c á c n h à v ă n đ ã
viết ra h à n g t r i ệ u c u ố n s á c h . V ớ i 64 codon c ó t h ể s á n g tạo ra hằng h à sa số c á c c ấ u t r ú c
đ a d ạ n g v ô c ù n g v ô t ậ n của p h â n tử A D N . Đ i ề u đ ó g i ả i t h í c h t ạ i sao t h ế g i ớ i sống của ta
l ạ i phong p h ú , đ a d ạ n g và tuyệt v ờ i đ ế n n h ư v ậ y . H à n g t r i ệ u c á c loài sinh vật trên trái
đ ấ t , trên n ă m t ỷ n g ư ờ i h ầ u n h ư k h ô n g ai giống hệt ai. H ã y n h ì n k ỹ v à o m ộ t n g ư ờ i , m ộ t
n g ư ờ i bạn y ê u chẳng hạn, c ó biết bao n h i ê u m à u sắc, bao n h i ê u c ấ u t r ú c , bao n h i ê u trí
t u ệ , n g ô n t ừ và t â m h ồ n trong đ ó .
17
N h ư v ậ y , tất cả tính đ a dạng phong p h ú , t ấ t cả những v ẻ đ ẹ p t h i ê n t h ầ n của sự sống
đ ề u do gen và c ấ u trúc của gen quy định. T r ậ t tự của c á c nucleotid quy đ ị n h c ấ u t r ú c đặc
thù của gen. Số lượng đ a dạng của gen quy định tính đ a d ạ n g của sinh g i ớ i .
1.4.2. Vai trò của gen được thể hiện như thế nào trong tế bào sống?
C ấ u trúc đặc thù của gen l ạ i quy định c ấ u trúc đặc t h ù của A R N t h ô n g t i n . Đ ế n lượt
A R N t h ô n g t i n l ạ i quy định c ấ u trúc đặc thù của c á c protein. M ỗ i codon trong p h â n t ử
A D N sẽ thích ứng v ớ i m ộ t p h â n tử axit amin trong m ạ c h của protein. T r ậ t t ự của 64
codon trong A D N sẽ quy định trật tự sắp x ế p của cạc axit a m i n ( g ồ m trên 20 axit a m i n
k h á c nhau) trong p h â n tử protein.
N g à y nay n g ư ờ i ta đ ã x á c định được trình tự c ấ u trúc nucleotid của h à n g t r ă m n g à n
gen và trình tự axit amin trong p h â n tử của h à n g chục n g h ì n protein. T r o n g s ố c á c
protein đ ã được tinh chế, c ó khoảng 90% protein là c á c enzym, k h o ả n g 10% protein c ò n
l ạ i là c á c protein c ấ u trúc (thiết k ế n ê n c á c t ổ chức m à n g t ế b à o sống v à c ơ t h ể sống) v à
c á c chất hoạt tính sinh học k h á c nhau n h ư c á c hormon, insulin, c á c i n t e r í e r o n . . . N h ư v ậ y
trình tự axit amin đặc thù l ạ i quy định tính đặc t h ù của c á c enzym, trong đ ó m ỗ i m ộ t
phản ứng sinh hoa học hoặc m ỗ i bước trong q u á trình d ẫ n t r u y ề n đ i ệ n t ử trong h ệ thống
m à n g t ế b à o đ ề u được quy định b ở i m ộ t enzym hoặc m ộ t protein c ấ u t r ú c . H à n g n g h ì n
c á c c h u ỗ i phản ứng sinh h ó a học trong m ỗ i t ế b à o đ ề u do c á c e n z y m hoặc h ệ thống
enzym quy định. X é t cho c ù n g gen và c á c sản p h ẩ m trực t i ế p của gen ( c á c protein) quy
định m ọ i c ấ u trúc và q u á trình x ả y ra trong c ơ t h ể sống.
Gen và hệ thống
cả nằm
trường
trong
sống,
mối
gen, enzym
quan
hệ biện
và hệ thống
chứng
trong đó gen là chìa khoa
phức
enzym,
protein
tạp giữa
và các tổ chức
chúng
của vận động sinh
với nhau
sống,
và vói
tất
môi
học.
N ă m 1955, l ầ n đ ầ u tiên trật tự của c á c nucleotid trong p h â n t ử A D N của m ộ t con v i
k h u ẩ n đ ã được x á c định g ồ m khoảng 1,8 t r i ệ u cặp nucleotid. N g à y nay, n g ư ờ i ta đ ã
khẳng định trong m ỗ i v i k h u ẩ n ( t ế b à o t i ề n n h â n prokaryote) c á c gen được sắp x ế p trên
m ộ t sợi A D N k h é p kín. T r o n g trực k h u ẩ n đ ư ờ n g r u ộ t v ớ i k í c h thước k h o ả n g 1 - 2
um có
chứa m ộ t sợi A D N c ó đ ộ dài khoảng l m m g ồ m t r ê n b ố n t r i ệ u cặp nucleotid hay t ư ơ n g
đ ư ơ n g v ớ i khoảng trên 3000 gen k h á c nhau. T r o n g c á c sinh v ậ t bậc cao hem, trong t ế b à o
eukaryotes, c á c gen được sắp x ế p theo trật tự nhất đ ị n h t r ê n sợi n h i ễ m sắc t h ể . T r o n g
m ộ t t ế b à o của n g ư ờ i c ó chứa khoảng 30.000 gen k h á c nhau.
M ỗ i gen trong t ế b à o sống đ ề u được x ế p đ ặ t theo m ộ t trật t ự đ ã được quy đ ị n h và
hoạt hoa của n ó được đ i ề u k h i ể n m ộ t c á c h c h í n h x á c . Thay đ ổ i vị trí của gen, cắt bớt gen
hoặc t h ê m c á c gen, t h ậ m c h í thay đ ổ i vị trí của chỉ m ộ t đ o ạ n n g ắ n A D N hoặc m ộ t
nucleotid trong sợi A D N của n h i ễ m sắc t h ể đ ề u c ó t h ể d ẫ n đ ế n n h ữ n g b i ế n đ ổ i phức t ạ p
trong c ơ thể sống. H i ệ n nay việc c h u y ể n gen v à o c ơ t h ể sống c ò n phụ thuộc n h i ề u v à o
c á c y ế u t ố n g ẫ u n h i ê n , nhất là định vị của gen l ạ trên n h i ễ m sắc t h ể . Đ ị n h vị gen k h ô n g
phù hợp cho b i ể u h i ệ n gen d ẫ n đ ế n h i ệ u q u ả c h u y ể n gen thấp.
18
H i ệ n nay c h ư ơ n g trình g i ả i m ã h ệ gen (genom) v à chức n ă n g h ệ gen n g ư ờ i đ ã và
đ a n g là m ộ t c h ư ơ n g trình n g h i ê n cứu l ớ n nhất t h ế k ỷ v ớ i sự tham gia của c á c siêu c ư ờ n g
k i n h tế. C h ư ơ n g trình n à y nhằm v à o việc x á c đ ị n h c ấ u t r ú c , t r ì n h tự v à chức n ă n g của t ấ t
cả c á c gen ở n g ư ờ i .
Với khoảng
ra biết bao nhiêu
nhiêu
loài sinh
một triệu các gen khác
các tái tổ hợp khác
vật mới
nhau
nhau
tồn tại trong
của gen trong
tự nhiên,
sẽ có thể sáng
tạo
tế bào và sẽ sáng tạo ra
bao
nữa?
Trong thực t ế lượng c á c gen trong t ế b à o của m ỗ i loài được g i ớ i hạn b ở i số lượng
n h i ễ m sắc t h ể nhất định v ớ i c á c trình tự k h á n g h i ê m ngặt của c á c gen trong m ỗ i n h i ễ m sắc
thể. T ạ i sao vậy? T í n h hợp lý trong tổ chức và hoạt đ ộ n g của h ệ gen là cả m ộ t khoa học
đầy bí ẩn. Các khoa học n h ư d i truyền học, sinh học p h â n tử đ i ề u k h i ể n học sinh học... sẽ
phải lý g i ả i các bí ẩn đ ó . H i ệ n t ạ i c h ú n g ta được biết m ỗ i m ộ t enzym (sản p h ẩ m của gen)
cũng chỉ c ó thể hoạt đ ộ n g trong h ệ thống c á c enzym, bói m ộ t sản p h ẩ m sinh hoa t h ô n g
thường phải do nhiều enzym đ ồ n g thời tạo ra (ví d ụ đ ể tổng hợp ra m ộ t axit amin, đ ể p h â n
g i ả i một p h â n tử đ ư ờ n g .. cần r ấ t nhiều enzym - hay h ệ enzym tham gia).
Sự sống n ằ m trong trật tự c ấ u trúc và đ i ề u h à n h phức tạp chặt c h ẽ v ớ i t í n h k ỷ luật và
tính tổ chức n g h i ê m ngặt. T r o n g đ ó gen n ằ m trong q u á trình đ i ề u k h i ể n và tự đ i ề u k h i ể n ,
chẳng hạn gen tổng hợp galactosidase chỉ hoạt đ ộ n g k h i t h ê m đ ư ờ n g lacto v à o m ô i
trường n u ô i v i k h u ẩ n . K h i đ ư ờ n g lacto bị p h â n g i ả i , c á c gen hoạt đ ộ n g c h ậ m l ạ i và sau
đ ó ngừng hoạt đ ộ n g n ế u sản p h ẩ m c u ố i c ù n g của enzym bị tích l ũ y đ ế n mức b ã o hoa
hoặc k h i trong m ô i t r ư ờ n g lacto đ ã bị p h â n g i ả i h o à n t o à n . N h ư v ậ y gen chỉ c ó t h ể t ổ n t ạ i
trong những t ổ hợp gen hợp lý v ớ i sự k i ể m soát của m ô i t r ư ờ n g sống và tự đ i ề u chỉnh.
Khả năng sáng tạo ra các tổ hợp gen mới là vô cùng vô tận. Hàng
chuyển
gen mói sẽ được tạo ra. Nhưng
loạt các cơ thể
sống
quá trình chọn lọc lại vô cùng khắt khe. Tiến
hoa
là một quá trình đào thải đầy bi kích để đạt đến sự hoàn mỹ hiện tại của sự
sống.
K h ả n ă n g n h â n đ ô i của p h â n tử A D N , sinh sản và t i ế n hoa - đ ó là đặc tính c ơ bản
của sự sống. Chi p h ố i được p h â n tử A D N n h â n l o ạ i sẽ trở t h à n h "chủ t h ể " của sự t i ế n hoa
sinh học trên trái đ ấ t . K h ả n ă n g n h â n đ ô i của A D N l ạ i q u y ế t đ ị n h k h ả n ă n g n h â n đ ô i của
n h i ễ m sắc t h ể và k h ả n ă n g p h â n chia của t ế b à o . N h ờ v ậ y m à c ó hai q u á trình sinh sản:
sinh sản vô tính ( n h â n bản t ế b à o hoặc c ơ t h ể sống m ớ i g i ố n g v ớ i t ế b à o và c ơ t h ể m ẹ ) .
Sinh sản hữu tính c ó k ế t hợp t ế b à o sinh sản và genom của hai cá t h ể b ố và m ẹ . M ộ t t ế
b à o v i k h u ẩ n trong đ i ề u k i ệ n p h ù hợp sẽ p h â n chia ( n h â n đ ô i ) cứ k h o ả n g 20 p h ú t m ộ t
l ầ n . Trong m ộ t n ồ i lên men v i sinh vật v ớ i q u á trình lên men k é o d à i khoảng 3 n g à y = 72
giờ, m ộ t t ế b à o v i k h u ẩ n c ó thể được n h â n lên theo tính t o á n lý thuyết t h à n h 2
2 1 6
tế bào
m ớ i . N h ờ vậy m à c ó c ô n g nghiệp lên men v i sinh vật v ớ i c á c n ồ i lên men k h ổ n g l ồ h à n g
t r i ệ u lít đ ể sản x u ấ t thuốc k h á n g sinh, m ì c h í n h , bia r ư ợ u , vacxin tái t ổ hợp... M ộ t c â y
phong lan n u ô i c ấ y trong ống n g h i ệ m cứ m ỗ i t h á n g c ó t h ể n h â n lên g ấ p n ă m l ầ n , m ộ t
n ă m c ó t h ể n h â n được trên m ộ t t r i ệ u c â y phong lan con t ừ m ộ t c â y ban đ ầ u .
Q u á trình n h â n g i ố n g n h ư v ậ y là k ế t q u ả của m ộ t k h ả n ă n g c ó m ộ t k h ô n g hai của
sinh vật sống - k h ả n ă n g sinh sản của p h â n tử A D N và t ế b à o . N h ư n g chỉ m ã i đ ế n n ă m
19
1962 đặc tính trên đ â y của t ế b à o thực v ậ t m ớ i được ứng d ụ n g l ầ n đ ầ u t i ê n v à o c ô n g
nghiệp n h â n g i ố n g nhanh i n vitro.
Q u á trình n h â n đ ô i của p h â n tử A D N - tạo ra m ộ t p h â n t ử con g i ố n g h ệ t p h â n tử m ẹ
ban đ ầ u đ ó là bản chất của h i ệ n tượng d i t r u y ề n . M ặ c d ù v ậ y , trong q u á t r ì n h sao c h é p v à
n h â n lên h à n g t r i ệ u l ầ n , k h ô n g t h ể k h ô n g c ó sai sót d ẫ n đ ế n sự sai k h á c trong c ấ u t r ú c
p h â n tử của gen, hoặc thay đ ổ i sắp x ế p của gen trên sợi A D N v à trên n h i ễ m sắc t h ể . . .
d ẫ n đ ế n h i ệ n tượng b i ế n d ị . H i ệ n tượng b i ế n dị t h ô n g t h ư ờ n g x ả y ra ở t ầ n số 10" - 10"
5
trong đ i ề u k i ệ n tự n h i ê n . Trong đ i ề u k i ệ n t h í n g h i ệ m , k h i c ó tác đ ộ n g của c á c c h ấ t g â y
đ ộ t b i ế n hoặc p h ó n g x ạ , hoặc trong n u ô i c ấ y t ế b à o trần k h i m à n g t ế b à o bị p h â n huy,
t ầ n số b i ế n dị c ó t h ể lên t ớ i 10' hoặc h ơ n , nghĩa là cứ 100 c á t h ể m ớ i sẽ x u ấ t h i ệ n c ó
2
m ộ t c á t h ể b i ế n d ị . N g à y nay, k h ả n ă n g g â y đ ộ t b i ế n đ ể c h ọ n g i ố n g n g à y c à n g c ó t í n h
định h ư ớ n g và h i ệ u q u ả cao. H à n g loạt c á c chủng v i sinh v ậ t c ô n g n g h i ệ p (sản x u ấ t
k h á n g sinh, axit glutamic...), c á c giống c â y trồng m ớ i đ ã được tạo ra bằng đ ộ t b i ế n .
dị là nền tảng của chọn
lọc tự nhiên
và tiến hoa của sinh
Biến
giới.
1.5. CẢI TẠO DI TRUYỀN CÁC cơ THỂ SỐNG TRÊN cơ sở SINH HỌC PHÂN
T Ử VÀ K Ỹ T H U Ậ T G E N
T h i ế t k ế được c ấ u trúc và vị trí k h ô n g gian của gen, đ i ề u k h i ể n được hoạt hoa của
n ó , con n g ư ờ i c ó t h ể tạo ra h à n g t r i ệ u c á c hợp chất t h i ê n n h i ê n theo ý m u ố n , c ả i tạo được
sinh g i ớ i và sửa chữa được c á c khuyết tật d i t r u y ề n ở c h í n h b ả n t h â n con n g ư ờ i . N h ư n g
CNSH n g à y nay m ớ i chỉ đi được những bước đ ầ u t i ê n trong cuộc t r ư ờ n g c h i n h c ả i tạo
vật chất sống. C á c p h ư ơ n g thức c ơ b ả n trong c ả i tạo t h ô n g t i n d i t r u y ề n được t r ì n h b à y
t ó m tắt d ư ớ i đ â y :
/ . Thay đổi trình tự nucleotid
của
gen
- Thay đ ổ i trình tự gen c ấ u t r ú c : T r ì n h tự nucleotid trên gen thay đ ổ i sẽ l à m thay đ ổ i
t h ô n g t i n trên m A R N , d ẫ n đ ế n thay đ ổ i hoạt t í n h của enzym và c á c protein do gen n à y
m ã hoa;
- Thay đ ổ i c ấ u trúc của gen đ i ề u h à n h . C á c gen đ i ề u h à n h thay đ ổ i d ẫ n đ ế n thay đ ổ i
q u á trình dịch m ã t ừ c á c gen c ấ u trúc d ẫ n đ ế n sự thay đ ổ i sinh tổng hợp protein v ề
lượng: t ă n g hoặc g i ả m , t h ậ m c h í l à m ngừng sinh tổng hợp.
2. Thay đổi vị trí của gen trong
genom
Thay đ ổ i vị trí của gen trong genom: tái t ổ hợp trình t ự của c á c gen t r ê n n h i ễ m sắc
t h ể và trong genom.
- Chuyển gen từ vị trí n à y sang vị trí kia trong p h ạ m v i n h i ễ m sắc t h ể ;
- Chuyển gen giữa c á c n h i ễ m sắc t h ể trong c ù n g m ộ t t ế b à o : do trao đ ổ i c h é o
(crossing over), d i chuyển của c á c gen nhảy (transposons).
3. Kiểm soát và thiết kế hệ điều khiển hoạt hoa
gen
Thay đ ổ i mức đ ộ hoạt hoa của gen quan t â m , tính đặc t h ù v ề vị trí k h ô n g gian trong
b i ể u h i ệ n của gen.
20
4. Chuyển
gen từ loài này sang loài kia
Đ ư a m ộ t đặc tính d i t r u y ề n m ớ i t ừ loài n à y sang loài kia. V í d ụ gen k h á n g sâu Btt o x i n t ừ v i k h u ẩ n Bacillus
thurigìensis
v à o thực v ậ t .
5. Lai hữu tính và vô tính tạo ra các tổ hợp gen
mới
D u n g hợp t ế b à o trần, lai t ế b à o chất, n g h i ê n cứu c ơ c h ế p h â n t ử của ưu t h ế lai đ ể tạo
ra c á c tái t ổ hợp h ệ gen và genom của b ố v à m ẹ ở con l a i .
ố. Gây ra đột biến gen và nhiên cứu khả năng gây đột biến theo định
hướng
X u ấ t h i ệ n c á c p h ư ơ n g p h á p g â y đ ộ t b i ế n m ớ i r ấ t hữu ích cho n g h i ê n cứu chức n â n g
của
gen
và đ i ề u k h i ể n hoạt hoa
gen:
Đ ộ t b i ế n bằng cài gen
( A D N insertional
mutagenesis), k í c h hoạt c á c gen nhảy (transposons) đ ể tạo ra c á c đ ộ t b i ế n đ a dạng đ ồ n g
thời d ễ k i ể m soát và nhận b i ế t .
Bảng
LI.
Các kiểu thay đổi vật liệu di truyền và tác động của nó đối vói trao đổi
và các đặc tính sinh học khác
nhau
chất
Các kiểu thay đổi vật liệu di truyền
Kết quả nhận được
Thay đổi trình tự nucleotid trong gen cấu trúc
(do đột biến, do cài gen lạ vào nhiễm sắc thể,
do gen nhảy cài vào nhiễm sắc thể ỏ các vị trí
khác nhau trong quá trình phát triển cá thể)
- Thay đổi cấu trúc và chức năng đặc thù của gen:
- Thay đổi trình tự sắp xếp của nucleotid trong mARN và
trình tự axit amin trong protein.
- Thay đổi cấu trúc và gây biến tính protein, làm thay đổi
hay làm mất hoạt tính enzym.
- Thay đổi quá trình sinh hoa và hình thái của cơ thể
sống.
Thay đổi hệ điều khiển của gert
Thay đổi mức hoạt hoa, hoặc môi trường hoạt hoa, hoặc
các điều kiện hoạt hoa của gen. Hậu quả có thể dẫn
đến như sau:
- Quá trình nhân bản ADN và sinh tổng hợp mARN
không thể kiểm soát được. Dọ vậy, sinh tổng hợp một số
protein và các hoạt chất có thể được tăng cường hoặc
suy giảm hoặc bị triệt tiêu.
- Quá trình phân bào bị mất kiểm soát dẫn đến ung thư.
Thay đổi vị trí của gen trên ADN và nhiễm sắc
thể do đứt gãy, đảo đoạn nhiễm sắc thể, dịch
chuyển gen, trao đổi chéo.
Không làm biến tính gen, nhưng có thể làm thay đổi hoạt
hoa của gen do vị trí không gian của các gen trong sợi
ADN thay đổi
Chuyển gen giữa các loài thông qua kỹ thuật
ADN tái tổ hợp
- Tạo ra các cơ thể sống biến đổi di truyền (GMO);
- Cơ thể sống có thể tổng hợp được protein, enzym,
hoặc các polypeptid mới.
- Có thể gây bất hoạt các gen và triệt tiêu các hoạt chất
không mong muốn.
- Có thể gây đột biến gen do gen chuyển cài vào nhiễm
sắc thể một cách ngẫu nhiên.
Ghi chú: (đối với tế bào tiền nhân (procaryote): nhiễm
sắc thể là một sợi ADN mạch vòng gồm vài nghìn gen.
Đối với tế bào nhân thực (eukaryote): nhiều sợi ADN và
gen sắp xếp theo trật tự trên nhiễm sắc thể).
21
1.6. M Ó T S Ố L Ĩ N H v ự c ỨNG D Ụ N G C Ủ A C N S H (Bảng
SÍT
Lĩnh vực công nghệ và sản phẩm
1.2)
Đặc trưng cơ bản
1
CNSH thực vật
1.1
Công nghệ vi nhân giống: Nhân nhanh các cây
trồng có giá trị kinh tế cao bằng công nghệ nuôi cấy
tế bào như hoa, cây cảnh, cây ăn quả, cây dược
liệu, cây lâm nghiệp nhưtếch..., cây có dầu như cọ
dầu...
1.2
Làm sạch bệnh: Làm sạch bệnh các vật liệu nhân Rất cần đối với nhân giống sạch bệnh và trao
giống bằng nuôi cấy đỉnh sinh trưởng (kết hợp với đổi nguồn gen.
các kĩ thuật làm sạch các tác nhân gây bệnh bằng
hoa học hoặc xử lý nhiệt). Kỹ thuật này áp dụng chủ
yếu đối với các giống ưu việt sinh sản bằng con
đường vô tính như cây ăn quả có múi, dâu tây, nho,
khoai tây, mía...
1.3
- Cần trong bảo tồn các cây trồng sinh sản
Bảo tồn nguồn gen:
- Bảo tồn nguồn gen ở nhiệt độ thấp như nitơ lỏng (- bằng con đường vô tính, các loại cây có củ
và cây sinh sản bằng thân rễ...
196°C)
- Hoặc bảo tổn thông qua phương thức sinh trưởng
chậm trong môi trường nhân tạo
1.4
Cún phôi:
- Cứu phôi trong các kĩ thuật lai xa
- Cứu phôi đa bội thể (cứu phôi tam bội thể ỏ cây ăn
quả có múi khi lai giữa cây tứ bội và cây nhị bội, cứu
phôi tam bộiở các hạt lép, hạt nhỏ...)
- Cứu phôi F1 khi lai tạo giữa các giống nho không hạt
- Cứu phôi khi nội nhũ của hạt kém phát triển như
trong nhân giống phong lan
1.5
Công nghệ đơn bội:
- Rất hiệu quả đối với giống lúa, ngô, lúa mì,
Nhanh chóng tạo ra các dòng thuần, giống thuần lúa mạch. Đã được ứng dụng rất thành công
chủng ứng dụng trong tạo giống mới và tạo giống ưu ở Trung Quốc, Triều Tiên...
thế lai (nuôi cấy bao phấn, hạt phấn, nuôi cấy
noãn...)
1.6
Đột biến tế bào soma:
Chọn tạo các đột biến tế bào soma. Rất hiệu quả
trong tạo giống không hạt, dòng bất dục đực, nâng
cao khả năng kháng bệnh và các chất diệt cỏ, khả
năng chịu hạn, chịu lạnh
khả năng sản xuất các
hoạt chất sinh học...
1.7
Công nghệ mang tính đột phá có thể tạo ra
Thao tác di truyền và chuyển gen:
- Lai tế bào trần tạo giống đa bội thể: tạo giống tam các cuộc cách mạng trong các lĩnh vực sinh
bội thể không hạt bằng dung hợp giữa tế bào nhị bội học - nông nghiệp và y học
và đơn bội, dung hợp các tế bào nhị bội với nhau tạo
dòng tứ bội thể...
- Tạo giông cây trồng chuyển gen kháng sâu, bệnh
kháng chất diệt cỏ, nâng cao chất lượng nông sản,
sàn sinh dược chất
22
- Hệ số nhân giống rất cao đặc biệt là nhản
giống từ tế bào mỏ sẹo phôi hóa và phôi vô
tinh; đáp ứng yêu cầu sản xuất quy mô lớn mà
các kỹ thuật thông thường không đáp ứng được.
- Nhân nhanh các kiểu gen, hoặc giống ưu việt.
- Tạo các con lai xa khác loài không có khả
năng tạo hạt có sức sống
- Tạo giống không hạt (cam quýt, bưỏi,
chanh...)
- Cứu phôi lai giữa các giống nho không hạt
- Nhân nhanh các giống phong lan ưu việt...
- Chọn giống bất dục trong sản xuất hạt lai.
- Chọn giống cây ăn quả không hạt (citrus).
- Chọn tạo được nhiều giống chuối, mía
mới...
- Nâng cao chất lượng protein...
STT
Lĩnh vực công nghệ và sản phẩm
Đặc trưng cơ bản
1.8
- Giúp cho việc chọn giống ở mức phân tử
Marker phân tử hỗ trợ chọn giống:
Chọn giống với sự hỗ trợ của các kỹ thuật sinh học thông qua các chỉ thị phân tử về các gen
kháng sâu bệnh, gen chất lượng, các đặc
phấn tử (sử dụng các kĩ thuật marker phân tử)
tính năng suất...
2
CNSH động vật
2.1
Thụ tinh trong ống nghiệm, thụ tinh nhân tạo, cấy - Nhân nhanh các giống lai tốt.
truyền hóp tử hoác phôi
2.2
Liệu pháp hormon làm tăng số trứng rụng, kết hợp - Nhân nhanh các kiểu gen và giống lai ưu
với thụ tinh nhân tạo, cấy truyền hợp tử để nhân việt.
giống ưu việt.
2.3
Tạo động vật chuyển gen để nâng cao sản lượng - Các động vật chuyển gen như lợn, gà,
sữa, thịt, kháng bệnh, sản xuất một số sinh dược chuột, thỏ, bò, cừu, cá...
quý như protein trong sữa, nước tiểu, máu...
2.4
Thức ăn bổ sung chăn nuôi (các chất điều tiết sinh Nâng cao khả năng kháng bệnh, tăng năng
trưởng, kháng sinh chăn nuôi, inteiíeron, vitamines, suất, tỷ lệ nạc trong thịt, rút ngắn chu trình
protein đơn bào...
chăn nuôi.
3
CNSH Y dược
3.1
Kháng thể đơn dòng/sử dụng trong chẩn đoán bệnh. - Sản xuất bằng công nghệ tế bào lai
Ví dụ, các bệnh đường sinh dục, ung thư, các bệnh (hybridoma)
virus như viêm gan B...
3.2
Mầu dò DNA (DNA probes): dùng trong chẩn đoán - Sản xuất bằng công nghệ gen
bệnh, VD: bệnh kala-aser, bệnh buồn ngủ, sốt rét,...
3.3
Vacxin tái tổ hợp (viêm gan B, vacxin phòng bệnh - Sản xuất bằng công nghệ gen
virus ở gia súc lợn, thỏ, trâu) bò... như lở mồm long
móng.
3.4
Các loại thuốc chữa bệnh có giá trị như insulin, - Sản xuất chủ yếu bằng các vi khuẩn
interíeron, hormon sinh trưởng người và bò, chuyển gen
erythropoietin,...
3.5
Liệu pháp gen (trị liêu gen) chữa các bênh di truyền.
3.6
Sinh con theo giới tính chọn lọc bằng cách tách - Có thể dẫn đến mất cân bằng giới tính trong
riêng các tinh trùng mang nhiễm sắc thể X và Y và dân số
thụ tinh tế bào trứng bằng 1 loại tinh trùng-
3.7
Xác định phả hệ hoặc tội phạm, xác định mộ liệt sỹ - Xác định chính xác quan hệ họ hàng, dòng
chưa rõ nguồn gốc thông qua phân tích ADN của họ. tộc bằng phân tích ADN máu, tế bào (tinh
trùng), sợi tóc...
4
CNSH Công nghiệp
4.1
sx các hợp chất hoa học như cồn, axit lactic, axit - Sản xuất bởi các vi sinh vật chủ yếu là vi
citric, axit gluconic, aceton, glycerin...
khuẩn
4.2
sx kháng sinh: penicillin, streptomycin, erythromycin, - Sản xuất bởi các loại nấm, actinomycetes,
mitomycin, cycloheximide...
vi khuẩn
4.3
sx các enzym: amilase, protease, lipase...
- Đưa các gen bình thường vào cơ thể thay thế
chức năng của các gen bệnh bằng nhiều kỹ
thuật khác nhau đang được nghiên cứu cải tiến.
- Sản xuất bôi vi khuẩn, nấm để sử dụng
trong công nghiệp tẩy rửa, dệt, thuốc lá,
sữa... trong chữa bệnh
23
