ADN tái tổ hợp là gì? Khả năng tạo ra các phân tử ADN mới hỗ trợ nghiên cứu về gen di truyền và ứng dụng trong công nghệ sinh học
ADN tái tổ hợp là một lĩnh vực nghiên cứu được quan tâm hàng đầu hiện nay. Đây là quá trình hình thành các phân tử ADN mới mang tính chất đặc biệt. Qua việc tối ưu hóa cấu trúc gen trong các hệ vi sinh vật, nó đã mở ra những đột phá trong nghiên cứu di truyền học. Đồng thời, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác. Bài viết dưới đây sẽ mang đến những thông tin hữu ích và toàn diện nhất về ADN tái tổ hợp. Đồng thời, không thể không kể đến những ứng dụng vượt bậc từ công nghệ này.
Nội dung
1. ADN tái tổ hợp là gì?
ADN tái tổ hợp (rDNA) là gì? Đây là các phân tử ADN được kết hợp từ hai hoặc nhiều trình tự ADN. Và các đoạn ADN được sử dụng có thể bắt nguồn từ bất cứ loại nào, cùng hoặc khác tài liệu di truyền. Chẳng hạn, DNA của con người, thực vật, vi khuẩn hoặc nấm có thể nối với nhau.
Đây là yếu tố cốt lõi giúp cải thiện đa dạng di truyền và tiến hóa của sinh vật. Bởi bất kỳ trình tự ADN nào đều có thể tạo ra và đưa vào cơ thể sống. Quy trình ADN tái tổ hợp được diễn ra trong nhiều tình huống. Bao gồm: tái tổ hợp tế bào sinh học, tái tổ hợp trong quá trình tiến hóa và trong phòng thí nghiệm.
Quá trình ADN tái tổ hợp bao gồm cắt, ghép các đoạn ADN thành phân đoạn nhỏ hơn. Trong đó, có sự tham gia của các enzyme như nucleases và ligases. Các đoạn ADN này liên kết lại với nhau hoặc với đoạn ADN khác vào trong vectơ tách dòng để hình thành chuỗi ADN mới. Những vecto này mang có khả năng biểu hiện thành protein tái tổ hợp. Chẳng hạn dược phẩm hormone peptide được tạo ra từ công nghệ này là insulin, hormone tăng trưởng, và oxytocin.
2. Lịch sử
DNA tái tổ hợp được đề xuất lần đầu bởi Peter Lobban, sinh viên Trường Y Đại học Stanford. Vào năm 1972 và 1972, các ấn phẩm đầu tiên về quá trình sản xuất và sao chép nội bào của DNA tái tổ hợp thành công được công bố. Năm 1980, Paul Berg, giáo sư Khoa Hóa sinh tại Stanford được trao giải Nobel Hóa học về công trình nghiên cứu axit nucleic “đặc biệt liên quan đến DNA tái tổ hợp”. Werner Arber, Hamilton Smith, và Daniel Nathans cũng được nhận Giải thưởng Nobel Sinh lý học và Y học năm 1978 với công trình giúp nâng cao kỹ thuật của công nghệ rDNA nhờ Endonuclease.
Năm 1980, bằng sáng chế của Hoa Kỳ về DNA tái tổ hợp được cấp cho Herbert W. Boyer (giáo sư tại Đại học California, San Francisco) và Stanley N. Cohen (giáo sư tại Đại học Stanford). Sản phẩm đầu tiên được tạo ra bởi công nghệ DNA tái tổ hợp là insulin nhân học được cấp phép (Gualandi-Signorini, A.; Giorgi, G. (2001). “Insulin formulations–a review”. European Review for Medical and Pharmacological Sciences. 5 (3): 73–83.).
3. Vai trò của ADN tái tổ hợp
ADN tái tổ hợp hỗ trợ tiến hóa và khả năng thích ứng của sinh vật trong môi trường thay đổi. Giữa các tài liệu di truyền khác nhau có sự trao đổi di truyền. Từ đó, mang đến sự đa dạng biến thể genetik và tạo ra các đặc tính mới. Quá trình này cũng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học như kỹ thuật tái tổ hợp gen. Các sản phẩm mới được tạo ra và ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực.
Một số ví dụ của ADN tái tổ hợp:
- Tạo protein tái tổ hợp trong tế bào sống. Cụ thể là insulin, hormone tăng trưởng và oxytocin.
- Tạo vaccine chống lại các bệnh truyền nhiễm như vaccine viêm gan B và viêm não Nhật Bản.
- Tạo ra các sinh vật biến đổi gen (GMO) giúp tăng năng suất trong nông nghiệp, công nghiệp.
- Phát triển các công cụ, thiết bị tiên tiến hỗ trợ phát hiện, chẩn đoán và điều trị một số bệnh lý. Chẳng hạn như kỹ thuật
- PCR, hybrid hóa DNA.
4. Mục đích tạo ra ADN tái tổ hợp
ADN tái tổ hợp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Do đó, việc tạo ra ADN này đóng vai trò rất quan trọng. Cụ thể:
-
Đa dạng di truyền
ADN tái tổ hợp tạo ra sự đa dạng genetik. Bởi trong quá trình diễn ra, các đoạn phân tử ADN từ các nguyên khác nhau được trao đổi hoặc kết hợp. Đây cũng là mục đích quan trọng trong tiến hóa và thích nghi của sinh vật.
-
Nghiên cứu chức năng gen
Việc tạo ra đa dạng genetik hỗ trợ nghiên cứu các chức năng gen. Điều này rất cần thiết trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của gen đến quá trình sinh học và bệnh lý.
-
Tạo ra protein tái tổ hợp
ADN tái tổ hợp được sử dụng để tạo các gen tái tổ hợp. Những protein này mang các đặc tính và chức năng đặc biệt. Bởi vậy, chúng được sử dụng trong nghiên cứu cơ chế hoạt động, sản xuất protein dược phẩm. Đồng thời, góp phần phát triển công nghệ sinh học hiện đại.
-
Công nghệ sinh học
Đây cũng là lĩnh vực ứng dụng hiệu quả quá trình tái tổ hợp ADN. Bao gồm kỹ thuật tái tổ hợp gen (gene recombination) và tái tổ hợp DNA (DNA recombination). Một số ứng dụng phải kể đến như: sản xuất protein, tạo sinh vật biến đổi gen, phát triển dược phẩm và vaccine. Ngoài ra, di truyền và sinh học phân tử cũng được nghiên cứu hiệu quả.
- Khắc phục rối loạn genetik
ADN tái tổ hợp có khả năng khắc phục rối loạn genetik và genetic disorders. Các gen chức năng từ nguồn khác được chèn và thay thế các gen bị lỗi, thiếu hụt.
Nghiên cứu ADN tái tổ hợp được sử dụng cho rất nhiều mục đích quan trọng. Trong đó, có rất nhiều lợi ích phục vụ cho con người trong đa dạng lĩnh vực. Đây là một trong những thành quả quan trọng của khoa học hiện đại.
Xem thêm:
- Xét nghiệm sinh học phân tử và ứng dụng trong y học hiện nay
- Sinh học phân tử – Cơ sở vững chắc đột phá y học
5. Quá trình tạo ra ADN tái tổ hợp là gì?
5.1 Các yếu tố cần thiết
- Sử dụng enzyme cắt giới hạn (restriction enzyme) để cắt các đoạn ADN nguồn. Nó giúp tạo ra các đầu lệch (sticky end) hoặc đầu bằng (blunt end).
- Các vectơ (phân tử ADN) tự sao chép trong tế bào sống như plasmid hoặc virus.
- Các enzyme nối (ligase) có thể nối lại hai đầu đoạn ADN bị cắt.
- Các tế bào chủ có khả năng nhận và biểu hiện ADN tái tổ hợp. Đó thường là vi khuẩn hoặc nấm men.
5.2 Các bước hình thành
- Enzyme cắt giới hạn được sử dụng để cắt vectơ và ADN nguồn. Quá trình này giúp hình thành các đầu lệch hoặc đầu bằng tương ứng.
- Sử dụng enzyme nối để nối vectơ và ADN nguồn hình thành ADN tái tổ hợp.
- Đưa ADN tái tổ hợp vào tế bào chủ bằng điện li, tiêm kim hoặc vi khuẩn T.
- Lựa chọn và nhân các tế bào chủ ADN tái tổ hợp nhờ kháng sinh, màu sắc hoặc biểu hiện protein.
6. Các phương pháp phổ biến tạo nên ADN tái tổ hợp hiện nay
6.1 Phương pháp dùng đầu lệch
Cơ chế
Đây là kỹ thuật sinh học phân tử được sử dụng phổ biến. Nó giúp nối các đoạn ADN có đầu lệch khác nhau. Phương pháp dùng đầu lệch được tiến hành thông qua tạo các đầu lệch (đuôi dính) ở hai đầu đoạn ADN. Nhờ đó, các ADN tái tổ hợp được tạo ra chứa gen ở đa dạng nguồn. Từ đó, nó được ứng dụng rộng rãi trong chuyển, nhân bản hoặc chỉnh sửa gen.
Đầu lệch là các nucleotit thừa ở hai đầu mỗi đoạn ADN kép. Bởi hai sợi ADN có sự chênh lệch về chiều dài. Các enzyme cắt giới hạn giúp cắt các đoạn thừa. Hoặc sử dụng enzyme tổng hợp ADN để kéo dài các đoạn ADN ở một hoặc hai đầu. Khi các đầu lệch tương thích kết hợp với nhau, chúng sẽ được ghép nối bằng liên kết hidro. Chúng xen giữa các nucleotit bổ sung. Cuối cùng, các enzyme nối ADN (DNA ligases) giúp liên kết giữa các sợi ADN trở nên vững chắc.
Các bước tiến hành
- Cắt hai đoạn ADN nguồn bằng enzyme cắt giới hạn để tạo các đầu lệch tương thích.
- Trộn hai đoạn ADN nguồn với vector chuyển gen có đầu lệch tương ứng. Vector này có thể là plasmid, virus hoặc phân tử ADN nhân tạo.
- Trong điều kiện phù hợp, các đầu lệch của ADN nguồn và vector chuyển gen liên kết bằng hydro. Nhờ đó, ADN tái tổ hợp chứa hai đoạn ADN nguồn.
- ADN tái tổ hợp dạng phân tử được chuyển vào tế bào chủ (host cell) bằng điện tách (electroporation), tiêm trực tiếp (microinjection) hoặc vi khuẩn trung gian (bacterial mediation).
- Nuôi cấy tế bào chủ và chọn lọc ADN tái tổ hợp bằng kháng sinh (antibiotic) hoặc biểu hiện gen (gene expression).
6.2 Phương pháp sử dụng đoạn nối
Cơ chế
Đoạn nối là công cụ sinh học phân tử có thể nối ADN có đầu dính tương ứng. Nó được tạo ra bằng cách cắt ADN bởi enzyme giới hạn. Tiếp đó, các đoạn ADN có đầu dính khác nhau được ghép với nhau. Đoạn nối có thể được chèn vào vector.
Các bước tiến hành
-
Chọn và xử lý vector plasmid
Đó có thể là ADN plasmid của E.coli hoặc nấm lên men. Vector này là ADN nhỏ, tự nhân bản và chứa gen kháng sinh. Nhờ vậy, có thể phân biệt được tế bào có hay không có vector plasmid. Vector này được cắt bằng enzyme hạn chế tại vị trí nhất định. Từ đó, hình thành hai đầu lệch có trình tự nucleotide đối xứng.
-
Chọn và xử lý đoạn cài
Đây là đoạn ADN từ các loài khác. Nó chứa các gen cần chuyển vào vector. Đoạn cài được cắt bằng enzyme hạn chế giống như loại enzyme dùng để cắt vector plasmid. Các đầu lệch tạo ra tương thích với đầu lệch vector plasmid.
-
Kết nối vector plasmid và đoạn cài
Trộn vector plasmid và đoạn cài trong dung dịch chứa enzyme ligase. Enzyme ligase liên kết với đầu lệch của vector plasmid và đoạn cài bằng liên kết phosphodiester. Từ đó, hình thành ADN tái tổ hợp.
-
Chuyển ADN tái tổ hợp
Chuyển ADN mới hình thành vào tế bào chủ bằng điện giải, tiêm kim, hoặc canxi clorua. Tế bào chủ đưa ADN này vào trong nhiễm sắc thể. Hoặc giữ lại ở dạng plasmid.
-
Phát triển tế bào chứa ADN tái tổ hợp
Chọn lựa và nhân tế bào chứa ADN tái tổ hợp trong môi trường kháng sinh. Chỉ vector plasmid mới tồn tại được. Bởi vector plasmid mang gen kháng sinh. Sau đó, kiểm tra các đoạn cài tồn tại trong các tế bào còn sống sót.
7. Công nghệ DNA tái tổ hợp
7.1 Công nghệ DNA tái tổ hợp
Công nghệ DNA tái tổ hợp giúp tạo phân tử DNA từ 2 hoặc nhiều nguồn DNA khác nhau. Các phân tử DNA này mang đặc tính của DNA cấu thành. Với công nghệ này, các nhà khoa học đã có những nghiên cứu sâu sắc và toàn diện hơn về bộ gen. Bao gồm cấu trúc và cơ chế hoạt động. Từ đó, góp phần giải quyết các vấn đề đặt ra từ thực tiễn về dược học, nông nghiệp và môi trường.
7.2 Nguyên liệu
- Gen đích (Gen cần chuyển)
- Tách chiết bộ DNA của sinh vật chứa gen cần chuyển. Bằng cách sử dụng:
– Các loại hóa chất: Phenol-chloroform, Trizol,…
– Bộ kit tách chiết: ABT, Qiagen, Thermo, …
- Khuếch đại gen mong muốn bằng PCR: Sử dụng cặp mồi đặc hiệu để nhân bản nhanh chóng phân tử DNA chứa gen đích qua chu kỳ nhiệt.
- Các Enzyme: Có 2 loại enzyme chính được sử dụng:
– Enzyme cắt (restriction enzyme, RE): Cắt chính xác đoạn gen đích bằng trình tự đặc hiệu trên DNA. Và cắt mở vòng vector chuyển gen.
– Enzyme nối (DNA ligase): Nối các đoạn DNA.
- Thể truyền (Vector chuyển gen)
– Tự nhân lên độc lập với tế bào chủ
– Gắn các đoạn DNA ngoại lai mà vẫn có khả năng tự nhân lên
– Có trình tự nhận biết enzyme cắt
– Chứa đoạn gen giúp nhận biết trong quá trình biểu hiện gen
– Thể truyền thường có 2 loại chính là Plasmid và Phage
7.3 Một số thao tác
- Thu thập DNA chứa gen đích từ tế bào chủ
- Sử dụng cùng một loại enzyme cắt để cắt lấy gen cần chuyển và thể truyền
- Sử dụng enzyme nối để gắn gen cần chuyển vào thể truyền
- Chuyển phân tử DNA tái tổ hợp vào tế bào nhận và giúp nó biểu hiện
7.4 Ứng dụng của Công nghệ ADN tái tổ hợp là gì?
Tạo giống vi sinh vật mang gen sinh vật khác
- Coli mang gen sản xuất Insulin ở người (Hỗ trợ điều trị tiểu đường) và Somatostatin (Điều hòa hoocmon khác ở người)
- Sản xuất chủng vi sinh vật lành tính mang một số gen bệnh. Nó được sử dụng trong nghiên cứu và sản xuất vaccine
- Tạo vi sinh vật xử lý các tình trạng về môi trường như sự cố dầu tràn
Tạo giống cây trồng biến đổi gen
- Giống cà chua bất hoạt gen sản xuất Ethylen, kéo dài thời gian bảo quản
- Giống cây trồng kháng bệnh
- Giống lúa có gen sản xuất β-caroten
Tạo động vật chuyển gen
- Cừu sản xuất protein huyết thanh
- Bò sản xuất r – protein người
- Động vật chuyển gen tăng năng suất thịt, trứng, sữa,…
Xem thêm:
- Cảm biến sinh học – Công nghệ hiện đại với đa dạng ứng dụng
- Công nghệ tế bào – Bước tiến nhảy vọt, ứng dụng mọi lĩnh vực
8. Tranh cãi
Trong quá trình nghiên cứu sự phát triển của DNA tái tổ hợp, các chuyên gia đã nhận ra tiềm năng tồn tại đối với sinh vật chứa đoạn DNA có các đặc tính nguy hiểm, không mong muốn. Tại Hội nghị Asilomar về DNA tái tổ hợp năm 1975, vấn đề gây tranh cãi này đã dẫn đến lệnh cấm nghiên cứu DNA tái tổ hợp với các thí nghiệm nhiều rủi ro. Nó được thực thi cho đến khi Viện Y tế Quốc gia (Hoa Kỳ) ban hành các quy định chính thức tròn nghiên cứu rDNA.
Ngày nay, các DNA, protein tái tổ hợp không còn nguy hiểm. Tuy nhiên, một số sinh vật biểu hiện DNA tái tổ hợp vẫn có một số ảnh hưởng đến môi trường. Đặc biệt là những tranh cãi xoay quanh thực phẩm biến đổi gen và sản phẩm phụ trong sản xuất dược phẩm sinh học. Bởi DNA tái tổ hợp tạo ra protein cụ thể. Sản phẩm phụ chính (protein tế bào chủ), xuất phát từ hệ thống biểu hiện của vật chủ. Nó tác động xấu đến sức khỏe bệnh nhân và môi trường (DrugBank: Insulin Regular (DB00030)). Do đó, trong quá trình sử dụng ADN tái tổ hợp, cần được kiểm soát và quản lý cẩn thận, có trách nhiệm.
9. Tạm kết
Trên đây là toàn bộ thông tin chi tiết về “ADN tái tổ hợp là gì?”. Mặc dù vẫn tồn tại nhiều tranh luận xoay quanh tính an toàn của việc áp dụng công nghệ ADN tái tổ hợp. Tuy nhiên, không thể phủ nhận những tiến bộ vượt bậc mà nó mang lại. Lĩnh vực này ngày càng được mở rộng và tiếp tục nghiên cứu phát triển. Sự tiến bộ trong công nghệ này cần được tiếp tục khuyến khích và hỗ trợ. Từ đó, tận dụng tối đa các lợi ích của ADN tái tổ hợp. Đồng thời đảm bảo tính an toàn và đạo đức trong quá trình ứng dụng thực tế. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Công nghệ sinh học trong mọi lĩnh vực.
