Sinh học phân tử nghiên cứu toàn diện cấu trúc, hoạt động của đại phân tử làm nền tảng cho sự phát triển của gen di truyền và y học
Sinh học phân tử là lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành sinh học, khám phá sâu vào cấu trúc và chức năng của các phân tử sinh học như DNA, RNA, protein và các phân tử khác. Bài viết này sẽ giúp bạn khám phá những ứng dụng thú vị của sinh học phân tử trong công nghiệp, y học và nhiều lĩnh vực khác, đồng thời cung cấp cái nhìn tổng quan về những tiến bộ nổi bật trong lĩnh vực này
Nội dung
1. Sinh học phân tử
1.1 Khái niệm
Sinh học phân tử nghiên cứu cơ sở cấu trúc, chức năng vật lý và hóa học của đại phân tử với hoạt động sinh học bên trong và giữa tế bào. Bao gồm: tổng hợp, biến đổi, cơ chế, và tương tác phân tử (Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P (2014). Molecular Biology of the Cell, Sixth Edition. Garland Science. tr. 1–10). Đây là tiền đề cho sự ra đời và phát triển của kỹ thuật sinh học phân tử. Điển hình là: Công nghệ gen, PCR, điện di gel, kỹ thuật Array,… Các kỹ thuật này ngày càng phổ biến và được sử dụng hữu hiệu trong đa dạng lĩnh vực. Trong đó, phản ứng chuỗi polymerase (PCR) đã cách mạng hóa lĩnh vực này.
Sinh học phân tử có vai trò quan trọng trong nghiên cứu hiểu biết về cấu trúc, chức năng, hoạt động và quy trình sinh lý của tế bào. Tất cả đều được ứng dụng trong sáng chế dược phẩm và chẩn đoán bệnh. Một số ứng dụng của sinh học phân tử được phát triển trong liệu pháp gen. Nó được gọi là y học phân tử.
1.2 Các giai đoạn phát triển
Sinh học phân tử là lĩnh vực kết hợp giữa di truyền học và hóa sinh. Trong thế kỷ 20, cả hai lĩnh vực này đều phát triển nghiên cứu chức năng của tế bào. Nó liên quan chặt chẽ đến công nghệ mới và tối ưu hóa.
Sự phát triển của Sinh học phân tử được chia làm 3 giai đoạn:
- Tiền đề: Xác định nhân tố di truyền. Các học thuyết cơ sở tiền đề được hình thành cho sự ra đời của sinh học phân tử và sinh học hiện đại.
- Sinh học phân tử ra đời: Các học thuyết trung tâm, cấu trúc sợi DNA, kỹ thuật di truyền được phát triển.
- Sinh học hiện đại: Hoàn thiện và phát triển sinh học phân tử vào đa dạng lĩnh vực của cuộc sống.
1.3 Lịch sử
- Năm 1928, Frederick Griffith ghi nhận việc biến nạp ở vi khuẩn. Tuy nhiên, mãi đến năm 1944, Avery, Macleod và McCarty mới có cơ sở nghiên cứu chứng minh toàn bộ hiện tượng này.
- Sinh học phân tử bắt đầu được phát triển như một ngành khoa học vào năm 1930. Đến năm 1938, thuật ngữ này mới chính thức được công bố bởi Warren Weaver.
- ADN chính là vật chất di truyền gây đột biến. Cấu trúc ADN được đề xuất bởi Watson và Crick từ công trình tinh thể học tia X của Franklin và Wilkins.
- Gregor Mendel đi đầu trong việc phát triển cơ chế phân tử di truyền gen. Điển hình là quy luật di truyền trong phép lai giao phối ở cây đậu năm 1866. Thông tin về cấu trúc DNA cũng được mở rộng bởi Friedrich Miescher và Phoebus Levene. Đây cũng là tiền đề cho sự phát hiện ARN vận chuyển đặc biệt ở E.coli sau này.
- Năm 1961, gen mã hóa thành protein và bộ ba base ADN chỉ định một axit amin cụ thể được chứng minh.
- Trong giai đoạn 1962–1964, một số nghiên cứu đã chỉ ra chức năng và tương tác của protein. Chúng được biểu hiện trong quá trình sao chép, sửa chữa và tái tổ hợp ADN và hình thành cấu trúc phân tử.
2. Sinh học phân tử hiện đại
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật giúp đưa sinh học phân tử đạt đến đỉnh cao. Nó cho phép theo dõi toàn bộ quá trình cấp độ nguyên tử theo thời gian thực. Kho dữ liệu trình tự DNA đồ sộ với chi phí thấp hỗ trợ nghiên cứu phương pháp chỉnh sửa gen mới. Ngoài ra, quá trình sản xuất công nghiệp các phân tử phát triển thông qua trao đổi chất ngoại sinh trong tế bào nhân sơ và nhân thực.
Được áp dụng trong đa dạng lĩnh vực, nhờ đó, dữ liệu trình tự sinh học ngày càng giá trị. Đây là tiền đề tạo động lực cho sự phát triển của các ngành công nghiệp, y tế và thực nghiệm nghiên cứu. Chẳng hạn như thí nghiệm chỉnh sửa gen dùng công nghệ CRISPR-Cas9.
3. Quan hệ với các phân ngành sinh học khác
So sánh dựa trên định nghĩa:
- Sinh học phân tử nghiên cứu cơ sở phân tử của hiện tượng sinh học. Nó tập trung vào quá trình tổng hợp, biến đổi, hoặc tương tác phân tử.
- Hóa sinh nghiên cứu chất hóa học và các hoạt động xảy ra trong cơ thể vi sinh vật. Các nghiên cứu tập trung đến vai trò, chức năng, và cấu trúc của các đại phân tử. Cụ thể là protein, lipid, carbohydrate và axit nucleic. (Berg, Jeremy (2002). Biochemistry. Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert (ấn bản 5). New York: W.H. Freeman).
- Di truyền học nghiên cứu về các biến dị di truyền ảnh hưởng đến các sinh vật. Nó dự đoán cách các đột biến, gen riêng lẻ và tương tác di truyền tác động đến biểu hiện gen.
Trong nghiên cứu sinh học phân tử, các nhà khoa học thường kết hợp kỹ thuật này với các kỹ thuật liên quan đến di truyền học và hóa sinh. Phần lớn là nghiên cứu định lượng. Chưa kể, hiện nay, hàng loạt kỹ thuật khoa học máy tính được sử dụng trong tin sinh học và sinh học tính toán. Di truyền phân tử, nghiên cứu gen cũng là lĩnh vực nổi bật của sinh học phân tử đầu những năm 2000. Chưa kể, nó còn cung cấp các nền tảng hữu ích cho các ngành khác. Bao gồm: sinh học tế bào, di truyền học quần thể và phát sinh chủng loài học.
4. Các kỹ thuật trong sinh học phân tử
Cùng BCC khám phá ngay một số kỹ thuật trong sinh học phân tử.
4.1 Nhân bản phân tử
Nhân bản phân tử là kỹ thuật phân lập và chuyển chuỗi ADN mong muốn vào một tác nhân (vector) plasmid. Công nghệ ADN tái tổ hợp này được lần đầu được phát triển những năm 1960. Trình tự ADN mã hóa cho protein mong muốn được nhân bản bằng PCR hoặc các enzym giới hạn tạo ra plasmid. Vector plasmid có tối thiểu ba thành phần: vị trí bắt đầu sao chép (điểm ori), các vị trí tạo dòng và marker chọn lọc. Ngoài ra, còn có vùng gen khởi động và vị trí bắt đầu quá trình phiên mã.
Plasmid tổng hợp được đưa vào tế bào vi khuẩn hoặc động vật bằng biến nạp, tiếp hợp hoặc tải nạp. Quá trình đưa ADN vào tế bào nhân thực gọi là chuyển nạp. Plasmid được tích hợp vào bộ gen của tế bào chủ và tạo ra hiện tượng chuyển nạp ổn định (Lessard, Juliane C. (ngày 1 tháng 1 năm 2013). “Molecular cloning”. Laboratory Methods in Enzymology: DNA. Methods in Enzymology. 529. tr. 85–98). Ngược lại, nó có thể tồn tại độc lập với bộ gen gọi là chuyển nạp thoáng qua. Khi ADN mã hóa cho một protein mong muốn trong tế bào, protein đó hiện có thể được biểu hiện. Có thể kết tinh protein để nghiên cứu cấu trúc bậc ba. Hoặc nghiên cứu hoạt tính của các loại thuốc mới với protein (Kokate C, Jalalpure SS, Hurakadle PJ (2016). Textbook of Pharmaceutical Biotechnology. Expression Cloning. Elsevier. tr. 125.).
4.2 Phản ứng chuỗi polymerase
Phản ứng chuỗi polymerase (PCR) giúp sao chép hoặc sửa đổi trình tự DNA có tính ứng dụng cao. Phản ứng này vô cùng hữu hiệu. Trong điều kiện nhất định, nó có thể khuếch đại một phân tử DNA thành 1,07 tỷ phân tử chưa đến hai giờ. PCR được ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu biểu hiện gen, phát hiện vi sinh vật gây bệnh, đột biến gen và đưa chúng vào đoạn DNA. Ngoài ra, nó có thể đưa vị trí của các enzyme giới hạn vào đầu của DNA. Hoặc kích thích đột biến. PCR còn được sử dụng để xác định đoạn ADN được tìm thấy trong thư viện ADN bổ sung không. PCR có nhiều biến thể. Chẳng hạn như PCR phiên mã ngược (RT-PCR) khuếch đại ARN. Và PCR định lượng cho phép đo lường chính xác số phân tử ADN hoặc ARN ( “Polymerase Chain Reaction (PCR)”. National Center for Biotechnology Information. U.S. National Library of Medicine).
4.3 Điện di trên gel
Điện di trên gel giúp phân tách các phân tử bằng gel agarose hoặc polyacrylamide. Đây là một trong những công cụ chính của sinh học phân tử. Nguyên tắc là các đoạn ADN có thể được tách bằng cách cho dòng điện chạy qua gel. Bởi khung xương ADN chứa các nhóm phosphate mang điện tích âm. Bởi vậy, chúng sẽ di chuyển qua gel agarose về phía đầu dương. Chứa kể gel SDS-PAGE còn hỗ trợ phân tách protein. Hoặc có thể sử dụng điện di trên gel 2D.
4.4 Phương pháp xét nghiệm Bradford
Thử nghiệm Bradford cho phép định lượng chính xác các phân tử protein. Nó được tiến hành bằng cách sử dụng đặc tính của Coomassie Brilliant Blue G-250.[46] Nó có thể chuyển từ màu nâu đỏ sang màu xanh lam sáng khi liên kết protein. Protein liên kết với màu xanh lam Coomassie trong khoảng 2 phút. Đồng thời, phức hợp protein-thuốc nhuộm ổn định cấu trúc trong khoảng một giờ. Nồng độ của protein được đo dễ dàng chỉ với máy quang phổ. Không giống các phương pháp trước đây, xét nghiệm Bradford không dễ bị nhiễu do một số phân tử không phải protein. Bao gồm etanol, natri clorua, hay magie clorua. Tuy nhiên, nó lại dễ bị ảnh hưởng bởi chất kiềm mạnh như natri dodecyl sulfat (SDS).
Xem thêm:
- Xét nghiệm sinh học phân tử và ứng dụng trong y học hiện nay
- Cảm biến sinh học – Công nghệ hiện đại với đa dạng ứng dụng
4.5 Các phương pháp thấm và probe các đại phân tử
Phương pháp thấm Southern
Phương pháp thấm Southern do nhà sinh vật học Edwin Southern phát minh. Nó giúp probe hay thăm dò sự hiện diện của một chuỗi ADN cụ thể trong hỗn hợp ADN. Trước hoặc sau khi cắt bằng enzym giới hạn (endonuclease giới hạn), chúng sẽ được phân tách. Tiếp đó, chuyển sang màng lọc bằng cách thấm nhờ vào hiện tượng mao dẫn. Màng lọc này tiếp tục tiếp xúc với một đầu dò ADN chứa trình tự gen có thể lai ghép với đoạn ADN. Phương pháp này được ứng dụng trong đo số bản sao gen biến đổi ở chuột biến đổi gen. Hoặc tạo dòng tế bào gốc phôi bằng phương pháp gen knockout.
Phương pháp thấm Northern
Phương pháp thấm Northern nghiên cứu sự hiện diện của các phân tử ARN cụ thể. Từ đó, có thể so sánh giữa các ARN khác nhau. Kỹ thuật này được kết hơp từ phương pháp điện di và phương pháp thấm. ARN được phân tách dựa trên kích thước và chuyển đến màng lọc. Sau đó, quá trình thăm dò được thực hiện dựa trên nguyên tắc bổ sung với trình tự quan tâm được đánh dấu. Các dải đại diện cho kích thước của ARN khác nhau được phát hiện liên quan đến số lượng ARN mục tiêu. Quy trình này được sử dụng để xác định thời điểm và mức độ biểu hiện gen nhất định được biểu hiện trong các mô sống.
Phương pháp thấm Western
Phương pháp thấm Western giúp phát hiện các protein cụ thể từ một hỗn hợp protein. Nó được sử dụng để xác định kích thước protein cô lập và định lượng sự biểu hiện của chúng. Các protein lần đầu tiên được phân tách theo kích thước trong một lớp gel mỏng được kẹp giữa hai tấm thủy tinh. Nó được gọi là SDS-PAGE. Còn protein trong gel sau đó được chuyển sang màng hỗ trợ khác. Màng lọc này được thăm tìm kiếm bằng dung dịch kháng thể. Các kháng thể liên kết cụ thể với protein được biểu hiện bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Thường được đánh dấu bằng các enzym. Từ đó, dễ dàng phát hiện và phân tích định lượng.
Phương pháp thấm Eastern
Phương pháp thấm Eastern giúp phát hiện các biến đổi sau quá trình dịch mã protein. Protein thấm trên màng PVDF hoặc nitrocellulose kết hợp với chất nền giúp thăm dò sửa đổi protein sau dịch mã.
4.6 Kỹ thuật ADN microarray
Một ADN microarray hay ADN chip gồm các điểm được gắn với giá đỡ vững chắc. Mỗi điểm chứa một hoặc nhiều đoạn oligonucleotide ADN sợi đơn. Các dãy hay array giúp đặt số lượng lớn các điểm rất nhỏ. Mỗi điểm đều có một phân tử ADN bổ sung cho một chuỗi ADN đơn. Mỗi biến thể lại cho phép biểu hiện gen sinh vật ở các giai đoạn cụ thể. ARN trong mô được phân lập và chuyển đổi thành cADN được đánh dấu và lai với các đoạn khác trên dãy. Nhiều dãy được tạo bởi các đoạn gen giống nhau giúp so sánh biểu hiện gen của hai mô khác nhau. Ngoài ra, các gen được biểu hiện cũng được đo cụ thể. Dãy được tạo bởi chip silicon, các lam kính hiển vi và các phân tử khác ngoài ADN.
4.7 Oligonucleotide đặc hiệu alen
Oligonucleotide đặc hiệu alen (ASO) cho phép phát hiện các đột biến cơ sở đơn lẻ. Và không cần dùng đến kỹ thuật PCR hoặc điện di trên gel. Các mẫu dò ngắn đã được đánh dấu cho tiếp xúc với ADN mục tiêu không phân mảnh. Quá trình lai có độ đặc hiệu cao và dễ bị cản trở chỉ với một sự thay đổi của base đơn lẻ. ADN mục tiêu được rửa sạch và đem đi phân tích để phát hiện mẫu dò.
5. Hướng nghiên cứu sinh học phân tử
5.1 Tạo DNA tái tổ hợp
DNA tái tổ hợp là phân tử DNA được tạo từ hai hay nhiều DNA của các vi sinh vật khác nhau. Sự phát triển của công nghệ này giúp định vị, phân lập, biến đổi và nghiên cứu các đoạn DNA. Cụ thể là được áp dụng trong nghiên cứu đột biến, biểu hiện gen, di truyền, sản xuất hoocmon, enzyme, giống cây trồng – vật nuôi.
Một số bước để tạo ADN tái tổ hợp:
- Chọn nguồn DNA gồm DNA làm vector và DNA chứa gen cần nghiên cứu
- Tách chiết, tinh sạch DNA
- Cắt, nối các đoạn DNA bằng enzyme đặc hiệu để tạo các đoạn mang đặc tính mong muốn
- Biến nạp DNA tái tổ hợp vào vật chủ
- Tạo môi trường cho vật chủ chọn lọc và phát triển
5.2 Chuyển gen vào cây trồng
Sinh học phân tử phát triển cho phép tạo ra nhiều giống cây trồng – vật nuôi chuyển gen (GMO). Những loại cây trong này chứa gen mang các đặc tính ưu việt. Bao gồm: kháng sâu bệnh hại, thích nghi với môi trường khắc nghiệt, tạo ra hợp chất giá trị,…
5.3 Định danh loài mới
Dựa trên các chỉ thị phân tử được phân biệt ở cấp độ nhỏ nhất (phân tử). Các nhà khoa học có thể định danh các loài mới trong tự nhiên. Ngoài ra, các nhà khoa học có thể lập thư viện gen cho từng loài, cá thể và xác định các đặc tính riêng của từng cá thể.
6. Xét nghiệm sinh học phân tử
6.1 Khái niệm
Xét nghiệm sinh học phân tử đề cập các xét nghiệm phát hiện các chỉ thị sinh học với mức độ phân tử. Chẳng hạn như gen hoàn chỉnh, acid nucleic, bộ gen vi sinh vật,… Nó được đánh giá là bước ngoặt thành công lớn của y học. Đặc biệt là kỹ thuật giải trình – nhận dạng gen. Nhờ đó, có thể phát hiện, chẩn đoán sớm và chính xác nguyên nhân gây bệnh. Điều này giúp bác sĩ đưa ra quy trình điều trị kịp thời và hiệu quả.
6.2 3 kỹ thuật được sử dụng trong xét nghiệm sinh học phân tử
Có hai thành phần bắt buộc sử dụng trong xét nghiệm sinh học phân tử. Đó là:
- Chứng dương: Mẫu chứa ADN hoặc ARN mục tiêu được xác định.
- Chứng âm: Mẫu không chứa đoạn ADN hoặc ARN mục tiêu để ngăn chặn quá trình nhiễm chéo xảy ra.
Các kỹ thuật phổ biến được sử dụng trong xét nghiệm với sinh học phân tử gồm:
Kỹ thuật tổng hợp PCR
PCR giúp nhận diện vi khuẩn thông qua PCR. Mỗi phản ứng dao động từ 20 – 25 vòng. Sau khi kết thúc, ADN được khuếch đại với hệ số mũ. Mỗi mẫu bệnh phẩm cần được xét nghiệm với nồng độ thích hợp và điều nhiệt theo giai đoạn. Từ đó, có thể đảm bảo khả năng chính xác cao nhất. Sai sót xảy ra làm giảm hiệu suất hoặc ngăn phản ứng xảy ra. Thậm chí, có thể cho ra kết quả sai.
Kỹ thuật Real-time PCR
Kỹ thuật Real-time PCR gần giống kỹ thuật PCR. Tuy nhiên, kỹ thuật này lại sử dụng một thiết bị giúp ghi lại tín hiệu nếu phản ứng tổng hợp PCR xảy ra. Bằng cách so sánh, đánh giá số vòng và số lượng đạt được trong thời gian nhất định để tính nồng độ ADN.
Điện di Gel
Kỹ thuật điện di Gel giúp tách nhỏ các đoạn ADN/ARN hoặc protein tùy theo sự khác nhau về khối lượng và điện tích. Nguyên tắc chính dựa trên tính ổn định của acid nucleic hay protein. Bởi vậy, khi đặt trong điện trường, các phân tử này sẽ di chuyển. Các phân tử nhỏ di chuyển nhanh và ngược lại. Điện di được tiến hành trên gel hoặc giấy. Thông qua chất chất nhuộm thích hợp, vị trí của chúng sẽ được phát hiện nhanh chóng và dễ dàng.
6.3 Hạn chế của xét nghiệm
Bên cạnh những ưu điểm vượt trội, kỹ thuật sinh học phân tử vẫn còn tồn tại một số hạn chế.
- Mẫu chuẩn và mẫu thử có thể chỉ đúng với một giới hạn nồng độ nào đó. Bởi vậy, trong một số trường hợp, nó có thể đưa ra kết quả không chính xác.
- Không phải tất cả vi sinh vật đều có thể được nghiên cứu bằng kỹ thuật sinh học phân tử. Bởi số lượng “giải trình tự gen” có giới hạn.
- Phương pháp Real-time PCR yêu cầu các điều kiện thực hiện xét nghiệm nghiêm ngặt. Bởi vậy, mẫu chẩn cần lấy phải thực sự tốt để so sánh. Cần so sánh 1 mẫu thử với 5 mẫu thật để hạn chế tối đa sai sót.
6.4 Một số ứng dụng của kỹ thuật sinh học phân tử
Xét nghiệm sinh học phân tử ra đời giúp khắc phục các điểm yếu mà phương pháp xét nghiệm trước gặp phải. Cụ thể:
- Tiến hành các xét nghiệm chẩn đoán Covid-19, cúm A/H1N1, HPV,… Kỹ thuật này cho phép phát hiện và chẩn đoán bệnh lý nhanh chóng và chính xác hơn.
- Real-time PCR giúp định lượng nồng độ các tác nhân gây bệnh. Từ đó, hỗ trợ điều trị các bệnh lý liên quan đến HIV, viêm gan B, viêm gan C,…
- Khảo sát bệnh phẩm của bệnh nhân như nước bọt, dịch hô hấp, dịch màng bụng, phân, nước tiểu,…
- Hỗ trợ nghiên cứu cơ sở phát sinh bệnh và ứng dụng trong y học.
- Hỗ trợ chẩn đoán thai kỳ trước và sau khi kết thúc.
- Xét nghiệm sinh học phân tử đòi hỏi yêu cầu cao và nghiêm ngặt về thiết bị, máy móc và trình độ kỹ thuật. Bởi vậy chi phí thường khá cao. Khi muốn xét nghiệm, bệnh nhân cần ưu tiên xét nghiệm tại các cơ sở uy tín và chất lượng.
Xem thêm:
- ADN tái tổ hợp là gì? Đột phá trong khoa học di truyền
- Công nghệ tế bào – Bước tiến nhảy vọt, ứng dụng mọi lĩnh vực
7. Tạm kết
Sinh học phân tử là lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành sinh học, tập trung vào các quá trình cơ bản xảy ra tại mức phân tử trong cơ thể sống. Nó đã đóng góp quan trọng vào hiểu biết về cơ chế di truyền, sinh tổng hợp protein và nhiều khía cạnh khác của sự sống. Sinh học phân tử cũng đóng vai trò quan trọng trong phát triển dược phẩm và điều trị bệnh, mang lại nhiều tiềm năng lớn cho y học hiện đại. 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.
