Công nghệ gen, kỹ thuật biến đổi thành phần di truyền học của một sinh vật nhằm đáp ứng mọi nhu cầu về sự phát triển bền vững của con người
Tiêu điểm trong thế kỷ 21, công nghệ gen đã mở ra những cánh cửa mới đầy tiềm năng trong lĩnh vực y học, nông nghiệp và nhiều lĩnh vực khác. Bài viết này sẽ khám phá sự ảnh hưởng của công nghệ gen, từ việc hiểu rõ về các quy trình sinh học đến ứng dụng thực tế trong cuộc sống hàng ngày. Hãy cùng đi sâu vào thế giới kỹ thuật gen và tìm hiểu những tiềm năng vượt trội mà nó mang lại.
Nội dung
1. Công nghệ gen là gì?
Công nghệ gen (Genetic Engineering – Kỹ thuật di truyền hoặc di truyền sửa đổi) là quy trình biến đổi hoặc thêm gen mới cho các tế bào hoặc sinh vật. Từ đó, thay đổi cấu trúc và chức năng của gen – đơn vị di truyền cơ bản của các sinh vật sống. Quá trình này được diễn ra do con người sử dụng các kỹ thuật sinh học tác động. Đồng thời, tiến hành biến đổi trên vật liệu di truyền nhằm đáp ứng mục đích nào đó.
Chẳng hạn như khi chuyển gen từ một sinh vật này sang một sinh vật khác với những đặc tính tốt được thừa hưởng của loài trước gọi là chuyển gen. Từ đó, giúp tăng năng suất và hiệu quả sử dụng. Chúng được xếp vào nhóm sinh vật biến đổi gen (GMO). Tóm lại, Công nghệ gen là quá trình sử dụng công nghệ DNA tái tổ hợp (rDNA) để thay đổi cấu trúc di truyền của sinh vật.
2. Đặc điểm của công nghệ gen
-
Công nghệ gen không phải là công nghệ sinh học
Nó chỉ là một nhánh của công nghệ hiện đại này. Công nghệ gen xuất phát từ việc phát hiện mọi loài đều có chung một mã hóa gen. Do đó, các nhà di truyền học có thể thay đổi cấu trúc của vi sinh vật bằng cách tác động đến bộ gen.
-
Công nghệ gen sử dụng kỹ thuật kiểm soát hoặc điều chỉnh gen
Đặc biệt là di chuyển các mã gen từ các sinh vật không liên quan gì đến nhau. Kỹ thuật này được gọi là công nghệ tái tổ hợp DNA. Cụ thể là gen thực vật có thể đưa vào động vật và ngược lại. Hoặc đưa gen của các vi sinh vật vào cơ thể của thực vật và ngược lại. Nó được gọi là sinh vật biến đổi gen.
-
Hiện công nghệ gen được ứng dụng rộng rãi trong đa dạng lĩnh vực
Điển hình là công nghiệp thực phẩm, trồng trọt và chăn nuôi. Sử dụng các kỹ thuật lai tạo đơn thuần để tạo ra các giống cây trồng mới, giống vật nuôi mới. Cụ thể là công nghệ gen khiến gà không thể truyền bệnh cúm gia cầm sang các loài chim hoặc gia súc gây bệnh “bò điên”. Trong trồng trọt, một số thực phẩm biến đổi gen như ngô, đậu tương nhằm nâng cao chất lượng và hạn chế thuốc trừ sâu.
-
Ứng dụng quan trọng trong y học
Liệu pháp này được áp dụng cho những bệnh nhân mắc bệnh liên quan đến tạo gen. Ngoài ra, có thể phát triển ra vaccine và thuốc mới. Hoặc vẽ bản đồ gen người để chẩn đoán và điều trị bệnh hiệu quả. Chưa kể, công nghệ gen còn tạo ra những động vật biến đổi gen là nguồn cung cấp nội tạng và mô trong y tế.
3. Hướng ứng dụng của công nghệ gen
Gen được tìm thấy trong mọi sinh vật và có tính di truyền. Những chỉ dẫn này được mã hóa được sử dụng để tạo protein. Đây chính yếu tố quyết định đến cấu trúc và thực hiện chức năng của sinh vật sống. Xác định gen và chức năng chính là ứng dụng quan trọng của công nghệ gen. Dưới đây là 4 hướng ứng dụng phổ biến của công nghệ gen hiện nay.
3.1 Chuyển gen từ một loài liên quan: Gen kháng bệnh
Công nghệ gen giúp chuyển gen có lợi của một sinh vật sang cây trồng một cách trực tiếp và hiệu quả. Chẳng hạn, bệnh gỉ sắt (gây ra do nấm Hemileia vastatrix) là vấn đề nghiêm trọng với người trồng lúa mì ở Úc. Quá trình nhân giống kiểm soát bệnh này bằng cách chuyển gen kháng từ các loài khác sang lúa mì. Tuy nhiên, mức độ chính xác thấp và quá trình cồng kềnh.
Một nguồn gen kháng là lúa mạch đen. Tuy nhiên, việc chuyển gen kháng này liên quan đến lai chéo giữa lúa mì và lúa mạch đen. Một vài thế hệ lai sau đó giúp loại bỏ càng nhiều vật liệu di truyền lúa mạch đen càng tốt nhưng vẫn đảm bảo được gen kháng thuốc. Nhiều gen lúa mạch đen được lưu trữ trong giống lúa mì mới. Tuy nhiên, vẫn có một số đặc điểm không mong muốn. Chẳng hạn, gen tạo ra bột dính gần gen kháng bệnh trên nhiễm sắc thể lúa mạch đen.
3.2 Chuyển gen từ một loài không liên quan: Gen kháng côn trùng
Công nghệ gen giúp chuyển gen từ một loài không liên quan (côn trùng sang thực vật). Hoặc sử dụng một gen để phát triển ngân hàng gen lai tạo. Trong đó, điển hình là Bông biến đổi gen (Bt Cotton). Người nông dân phải sử dụng lượng lớn thuốc trừ sâu để kiểm soát gây bệnh do côn trùng gây hại. Tuy nhiên, giải pháp này độc hại, thiếu tính đặc hiệu và có thể tiêu diệt cả côn trùng có lợi. Đặc biệt là tác động xấu đến môi trường.
Nông nghiệp hữu cơ sở hữu chế phẩm thuốc trừ sâu tự nhiên, gọi là Dipel giúp chống lại sâu bướm. Nó chứa protein được sản xuất trong bào tử vi khuẩn, Bacillus thuringiensis (Bt), độc hại đối với sâu bướm. Gen vi khuẩn được phân lập để mã hóa protein độc hại. Đồng thời, sửa đổi sao cho hoạt động hiệu quả trong tế bào thực vật. Sau đó, chuyển gen Bt sang cây bông. Nó được ứng dụng đầu tiên ở Ức và lưu hành trên thị trường với tên Ingard®. Dù không ngăn chặn được côn trùng hoàn toàn. Tuy nhiên, nó đã giảm một nửa số ứng dụng diệt côn trùng. Tóm lại, công nghệ gen giúp sản xuất một loại protein trong tế bào của lá bông. Bởi cây bông không thể tạo ra gen mã hóa protein đó.
3.3 Tắt gen và protein: sửa đổi các đặc tính chất lượng
Công nghệ gen giúp tắt chức năng của gen thực vật. Điều này khiến protein mới không biểu hiện ra. Thay vào đó, lại loại bỏ một số loại thông thường. Gen nhân tạo được tạo ra bằng cách đảo ngược một phần mã gen muốn tắt. Nó không tạo ra sản phẩm mới mà chỉ kích hoạt cơ chế im lặng gen (gene silencing). Từ đó, ngăn chặn cây tạo ra protein cụ thể. Hiện nay, phương thức nhân giống cây trồng đã khai thác các đột biến hiếm để loại bỏ gen không mong muốn. Đây cũng là ứng dụng điển hình để tạo ra cải dầu.
Quá trình nhân giống dựa trên xác định đột biến xảy ra tự nhiên ngăn chặn việc tạo loại dầu không phù hợp. Bên cạnh đó, đột biến hóa học được ứng dụng nhằm đẩy mạnh tốc độ quá trình phản ứng. Tuy nhiên, kết quả thiếu tính chính xác và có thể xảy ra cùng lúc các đột biến nguy hiểm.
3.4 “Chủng ngừa”: Kiểm soát các bệnh do virus
Công nghệ gen còn có thể cung cấp hiệu ứng “miễn dịch” giúp ngăn chặn bệnh do virus gây ra ở cây trồng. Virus cuộn lá khoai tây làm hư hại nghiêm trọng đến sản phẩm. Nó lây lan nhanh chóng do rệp nên không thể kiểm soát bằng cách xịt thuốc thông thường. Đây là vấn đề mà người nông dân luôn băn khoăn. Các nhà khoa học tại CSIRO đã tổng hợp một gen chỉ chứa lượng nhỏ virus và đạt được hiệu quả trong ngăn ngừa virus. Nó hiệu quả đến mức cây khoai tây biến đổi gen (transgenic potato plants) có khả năng miễn dịch. Cụ thể là không có triệu chứng, không lây lan và nhiễm bệnh. Đây là ví dụ điển hình cho ứng dụng công nghệ để tắt chức năng. Gen tổng hợp tạo chuỗi nhỏ RNA nhưng không có protein virut.
Xem thêm:
- Công nghệ sinh học: Ngành kinh tế – kỹ thuật mũi nhọn đột phá
- Y học tái tạo – Xu hướng nghiên cứu và ứng dụng trong nền y học
4. Ứng dụng Công nghệ gen trong nông nghiệp công nghệ cao
Sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (NGS) đã tạo ra những bước tiến mạnh mẽ. Đặc biệt là ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao. Trong đó, cây trồng biến đổi gen là ví dụ điển hình nhất. Với kỹ thuật này, giống cây trồng như mong muốn được tạo ra mà không tốn quá nhiều thời gian và chi phí. Cùng BCC khám phá ngay.
4.1 Nguyên tắc và tính an toàn
Kỹ thuật biến đổi gen chỉ được tiến hành ở gen không liên quan đến giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. Nếu có thì sẽ phát triển theo hướng tăng cường hàm lượng. Bởi vậy, cây trồng biến đổi gen giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Đồng thời, gia tăng sức sống, khả năng kháng sâu bệnh và chịu đựng thuốc diệt cỏ. Một số thực phẩm như ngô, khoai, cà chua, bí đỏ, đậu nành, đu đủ, dưa hấu… là ví dụ điển hình trong áp dụng công nghệ biến đổi gen. Từ đó, ngành nông nghiệp tăng năng suất, nâng cao thu nhập và giải quyết nạn nghèo đói ở một số quốc gia.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các chế phẩm được tạo ra từ công nghệ gen lại gây ra một số tác dụng phụ. Bao gồm dị ứng, đột biến gen, kháng kháng sinh và ảnh hưởng xấu đến môi trường. Một số nghiên cứu chỉ ra thực phẩm biến đổi gen có thể tồn tại rủi ro tiềm ẩn. Nhiều thực phẩm biến đổi gen kháng thuốc diệt cỏ khiến loại thuốc này lại được sử dụng nhiều hơn. Điều này gây nguy hại lớn đến môi trường và hệ sinh thái.
Do đó, để đảm bảo an toàn, theo Cơ quan Quản lý dược phẩm và thực phẩm Hoa Kỳ (FDA), các loại thực vật biến đổi gen phải đáp ứng một số quy định về an toàn. Mỗi sản phẩm cần được kiểm tra và đánh giá kỹ lưỡng.
4.2 Hướng áp dụng của di truyền học
Công nghệ gen bao gồm các ứng dụng công nghệ trong hệ thống sinh học, sinh vật sống hoặc dẫn xuất. Di truyền học sử dụng biến đổi ADN giúp nâng cao chất lượng cây trồng và vật nuôi thông qua lựa chọn và sinh sản. Dưới đây là một số hướng ứng dụng của di truyền học trong nông nghiệp:
- Giải trình tự ADN: Xác định trình tự sắp xếp của các cặp bazơ trong chuỗi xoắn kép của một phân tử ADN thông qua phản ứng hóa học.
- Nhân bản: Tạo bản sao của đoạn ADN, một tế bào hoặc toàn bộ sinh vật.
- Chuyển gen cùng loài (Cisgenesis): Sử dụng gen của chính vi sinh vật để trực tiếp biến đổi gen của nó.
- Chuyển gen khác loài (Transgenesis): Sử dụng gen của loài khác để biến đổi trực tiếp.
- Sử dụng gen chỉ thị và sinh vật biến đổi gen giúp lai chéo các đặc tính mong muốn nhờ cisgenesis.
- Bất hoạt gen: Biến đổi gen trực tiếp làm ngưng hoạt động gen của một sinh vật.
- Di truyền học biểu sinh (Epigenetics): Nghiên cứu tác động của biến đổi di truyền thuận nghịch ở chức năng gen mà không thay đổi trình tự DNA trong nhân. Đồng thời, nghiên cứu quá trình ảnh hưởng đến sự phát triển của sinh vật.
4.3 Ứng dụng của di truyền học trong nông nghiệp
- Tăng khả năng đề kháng thực vật với thuốc diệt cỏ, côn trùng, virus, hạn hán, nhiễm mặn và lạnh.
- Cải thiện sản lượng mong muốn cho mỗi vụ. Bằng cách bổ sung thêm phức hợp gen thực vật C4 vào thực vật C3.
- Nâng cao giá trị dinh dưỡng và cải thiện chất lượng mùi, hương vị và màu sắc.
- Gia tăng khả năng phù hợp thực vật và loại bỏ những phần không quan trọng cho nhiên liệu sinh học thế hệ mới.
- Thay đổi thời kỳ thu hoạch hoặc phương pháp sinh sản. Cụ thể là biến đổi cây trồng dựa trên sinh sản sinh dưỡng để kích thích cây trồng mọc lại.
- Kích thích vi sinh vật sản xuất chất mong muốn.
- Ứng dụng biểu sinh trong chống trầm cảm và nghiện ngập bằng cách biến đổi gen. Nó có thể được sử dụng trong điều chỉnh thực phẩm phù hợp với sức khỏe con người và động vật.
- Hầu hết ADN của thực vật đều được lập bản đồ. Nhờ đó, người nông dân có thể thúc đẩy quá trình kháng bệnh và phát triển bền vững. Đồng thời, tạo điều kiện cho cây trồng phát triển ở môi trường không phù hợp trước đây. Điều này cho thấy tầm quan trọng của di truyền trong nền kinh tế sinh học.
5. Ứng dụng công nghệ gen trong y học
5.1 Liệu pháp gen di truyền
Trong cơ thể con người, có chứa tới 20.488 gen. Tuy nhiên, chỉ một số gen hoạt động theo chức năng nhất định gọi là gen hoạt tính (chức năng). Và cps hơn 3000 rối loạn từ bộ gen trong ADN gây bệnh. Với kỹ thuật này, các nhà khoa học có thể điều trị, liệu pháp gen chữa bệnh. Nó được thực hiện bằng cách đưa gen lành thay thế, chỉnh sửa gen khiếm khuyết hay nhiễm bệnh.
Tháng 7/2017, US CDC phê chuẩn phương pháp điều trị biến đổi gen đầu tiên với người mắc bệnh bạch cầu. FDA cũng cho phép liệu pháp điều chỉnh gen trong điều trị ung thư do Novartis phát triển. Đến tháng 10, liệu pháp điều chỉnh gen thứ hai trong điều trị ung thư hạch không Hodgkin được phê chuẩn. Tiếp đến là phê duyệt cho bệnh di truyền được Spark Therapeutics phát triển trong điều trị bệnh mù hiếm gặp. Nó an toàn và hiệu quả đến 80%. Năm 2018, một nhóm nhà nghiên cứu đã tiến hành chỉnh sửa gen bằng công nghệ CRISPR trên phôi người. Từ đó, mở đường tìm ra phương pháp sửa chữa gen gây bệnh.
5.2 Thuốc, vật liệu y tế từ công nghệ gen
Với kỹ thuật di truyền, con người có thể sản xuất insulin, hormone tăng trưởng, follistim điều trị vô sinh, albumin người, kháng thể đơn dòng, các yếu tố chống loạn nhịp, thuốc chống xuất huyết, chống đông,… Năm 2014, ở Mỹ, 10/25 loại thuốc bán chạy nhất là thuốc sinh học, tái tổ hợp gen. Điển hình giúp chữa trị viêm khớp, ung thư và đái tháo đường. Ngoài ra, các nhà khoa học đã phát triển giải pháp phẫu thuật biến đổi gen (gene modifying silk) từ sữa dê. Đây chính là thành tựu ấn tượng do kết hợp: gen di truyền và phỏng sinh học.
5.3 Ứng dụng công nghệ gen sản xuất vaccine
Ứng dụng bùng nổ nhất của kỹ thuật di truyền trong y học là phát triển vaccine phòng bệnh. Trong đó, nổi tiếng là vaccine HPV (Human Papilloma Virus) ở người. Nó giúp chống lại sự lây nhiễm HPV. Nguyên nhân gây ung thư vùng tầng sinh môn. Điển hình là cổ tử cung, hậu môn, âm hộ và âm đạo.
Năm 2014, ở Mỹ, 3/10 loại vaccine dạng tái tổ hợp gen được USCDC cấp phép dùng cho trẻ sơ sinh. Tháng 12/2015, FDA phê chuẩn vaccine cúm đầu tiên dựa trên công nghệ biến đổi gen. Đây cũng là tiền đề cho sự phát triển của vaccine sốt rét và viêm gan B. Dịch Ebola 2014 ở Tây Phi cũng đánh dấu sự phát triển của một loại vaccine từ biến đổi gene cây thuốc lá. Tháng 6/2016, một loại vaccine đã được phê duyệt cho các thử nghiệm trên người chống lại virus Zika. Ngoài ra, các thử nghiệm về vaccine ngừa AIDS biến đổi gene cũng được tiến hành.
Hiện nay, vaccine ngừa COVID-19 sử dụng 4 trong 6 cách phát triển vaccine cơ bản. Trong đó, có đến 3 vaccine sử dụng công nghệ biến đổi gen. Đó là vaccine tiểu đơn vị protein, vector virus và mRNA.
5.4 Công nghệ gen trong chẩn đoán bằng xét nghiệm PCR và RT-PCR
Kỹ thuật gene di truyền hỗ trợ chẩn đoán, xét nghiệm PCR. Nó có vai trò quan trọng trong việc xác định tác nhân gây bệnh ở mức phân tử. Chỉ từ một mẫu nhỏ ADN hay ARN (giọt máu, sợi tóc hay tế bào…), phòng xét nghiệm có thể nhân lên, phóng đại ra hàng triệu bản hỗ trợ xác định chính xác.
Xem thêm:
- Công nghệ tế bào gốc – Kỳ tích trong nền y học hiện đại
- Công nghệ tế bào – Ứng dụng và thành tựu trong đa dạng lĩnh vực
6. Tranh cãi xung quanh Công nghệ gen
Các chủ đề xoay quanh công nghệ gen gây nên nhiều tranh cãi. Nhiều người cho rằng không thể phủ nhận tầm quan trọng của công nghệ này. Nó giúp tăng hiệu suất cây trồng, chất lượng và hạn chế sử dụng thuốc trừ sâu. Ngoài ra, nó còn cho phép cây trồng có khả năng kháng bệnh và sống lâu hơn. Từ đó, nâng cao thu thập, chất lượng sống và giảm thiểu tình trạng nạn đói.
Còn một số người lại kịch liệt phản đối các sản phẩm biến đổi gen GMO. Bao gồm phản ứng dị ứng, đột biến gen, kháng kháng sinh và rủi ro cho môi trường. Nhiều người cũng lo ngại về các kết quả nghiên cứu trước đây. Đồng thời, họ cho rằng khoa học không nên can thiệp vào quá trình phát triển tự nhiên của sinh vật. Chưa kể, hiện nay, vấn đề về đạo đức đang được quan tâm. Rất nhiều chính sách lỏng lẻo về sáng chế và giấy phép khiến các sản phẩm không đảm bảo chất lượng.
7. Tạm kết
Công nghệ gen đóng vai trò quan trọng. Nó mở ra tiềm năng vô hạn cho sự phát triển của ngành nông nghiệp, khoa học và y tế. Khả năng chỉnh sửa gen mang lại cơ hội đột phá trong điều trị các bệnh di truyền. Từ đó, cải thiện chất lượng cuộc sống của con người. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này cũng đặt ra nhiều thách thức đạo đức và pháp lý. Yêu cầu cân nhắc và quản lý thích hợp. Qua việc khai thác và ứng dụng công nghệ gen hiệu quả, cuộc sống con người hứa hẹn những thay đổi tích cực. 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.
