Cách mạng kỹ thuật sinh học - Part 1

26/5/2017

CÁCH MẠNG KỸ THUẬT SINH HỌC

Trần Đăng Hồng, PhD

Phần 1. MỘT CHẶNG ĐƯỜNG DÀI

 

Kỹ thuật sinh học (biotechnology) đã tiến triển rất nhanh, mà cách đây 20 năm không ai có thể tưởng tượng nỗi. Bài này có mục đích ôn lại những tiến bộ và thành tựu đã đạt được và chiều hướng nghiên cứu cho tương lai.

Tế bào (cell) được khám phá đầu tiên bởi Robert Hooke năm 1665 khi kính hiển-vi được phát minh. Khám phá này dựa trên tế bào chết, không thấy những gì chứa bên trong tế bào, nên không đưa đến các khám phá mới. Người đầu tiên quan sát tế bào sống là Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) năm 1674 với loài tảo Spirogyra và sau đó là vi khuẩn, và ông cũng là người khám phá đầu tiên nhân tế bào – “lumen”- trong hồng huyết cầu cá hồi salmon.

Nhân tế bào (nucleus) chính thức công nhận và được mô tả đầu tiên bởi Franz Bauer năm 1804, và với nhiều chi tiết hơn bởi nhà thực vật học Tô Cách Lan Robert Brown năm 1831, khi quan sát tế bào hoa Lan, ông thấy có một vật tròn lờ mờ ở trung tâm tế bào, ông đặt tên "areola" hay "nucleus", tuy nhiên chưa biết nhiệm vụ của nhân làm gì.

Nhiễm sắc thể (chromosomes) được quan sát đầu tiên bởi nhà khoa học thực vật Thụy sỉ Karl Wilhelm von Nägeli năm 1842 ở thế bào thực vật, và sau đó bởi nhà động vật học người Bỉ Edouard Van Beneden ở tế bào sán lãi. Ông sử dụng chất nhuộm basophilic aniline là kỹ thuật mới để quan sát các vật thể chứa bên trong nhân.

Vào năm 1868, Ernest Haeckel chứng minh chính nhân giữ vai trò di truyền các đặc tính. Năm 1873, nhà khoa học Đức August Weismann nhận thấy giao tử (gametes), tức tế bào tinh trùng và trứng, khác với tế bào thông thường (somatic cells) của thân thể. Ông cho biết khi tinh trùng và trứng được thụ tinh, thì nhiễm thể của trứng và tinh trùng kết hợp cho nhiễm thể mới. Eduoard van Beneden là người đầu tiên mô tả gián phân giảm nhiễm (meiosis) phân chia nhân để thành giao tử chứa 23 nhiễm thể. Các định luật di truyền của Mendel ở đầu thế kỷ 20 làm sáng tỏ nhiệm vụ của nhân và nhiễm thể, và từ đó các thuyết về nhiễm thể đước phát triển thêm.

Gregor Mendel (1822 – 1884) được coi như là cha đẻ của khoa Di Truyền Học. Mendel nghiên cứu qua 29 ngàn cây đậu pea trong suốt 8 năm (1856 – 1863). Vào thập niên 1860s, Mendel đưa ra luật di truyền.

Hình 1. Định luật phân ly theo tỉ lệ 3:1 ở đời F2 của Mendel

 

Hình 2. Định luật phân ly ở đời F2 và F3 của Mendel

Từ kết quả này, Ông kết luận:

1. Đặc tính được di truyền bởi “đơn vị di truyền” (nay gọi là gen).

2. Mỗi cá nhân đời con được nhận “đơn vị” đó từ cha và mẹ.

3. Đặc tính đó có thể không hiện ở đời con nhưng vẫn hiện diện trong bộ máy di truyền .

Như vậy chỉ có allele ưu-tính (dominant) xuất hiện, còn allele liệt tính (recessive) thì bị che khuất.

 

Năm 1875, nhà động vật học người Đức Otto Bütschli khám phá sự phân đôi tế bào hay phân bào (cell division) và được Walther Flemming đặt tên là “mitosis”. Diễn tiến phân bào mitosis được chia thành 5 thời kỳ lần lượt là “tiền kỳ” (prophase), “tiền trung kỳ” (prometaphase), “trung kỳ” (metaphase), “hậu kỳ” (anaphase), và “chung kỳ” (telophase).

 

 

Hình 3. Phân bào chia đôi nhiễm thể trong nhân tế bào.

 

Năm 1890, hiện tượng phân bào giảm nhiễm (meiosis) được khám phá bởi Eduoard van Beneden.

Hình 4. Sơ đồ phân-bào-giảm-nhiễm từ nhân tế bào nhị-bội (2n) cho 4 giao-tử đơn-bội (n). Chú ý là 4 giao-tử này có bộ máy di truyền khác nhau, và khác hẳn với cả cha lẫn mẹ.

 

Theodor Boveri mô tả hai nhiệm vụ chính của nhiễm thể:

(i) mỗi nhiễm thể (trong cặp nhiễm thể) đều mang tính độc đáo, và

(ii) nhiễm thể truyền đặc tính di truyền cho thế hệ sau.

Năm 1902, Boveri lập lại thí nghiệm của Mendel và cho biết có sự liên hệ giữa luật Mendel và bản chất của nhiễm thể.

Vào những năm đầu thập niên 1900s, Thomas Hunt Morgan ở đại học Columbia University xác định sự hiện diện của yếu tố di truyền của Mendel trên dây nhiễm thể của ruồi Drosophila melanogaster. Ông cũng khám phá nhiễm thể phái tính X và Y, và sự liên hệ giữa yếu tố di truyền và bệnh tật.

Khám phá và xác định vai trò của DNA là một quá trình lâu dài. Năm 1869 đánh dấu ngành nghiên cứu DNA, bởi vì đó là năm mà nhà hóa sinh vật Thụy Sỉ Friedrich Miescher xác định được chất chứa bên trong nhân tế bào bạch huyết cầu mà ông đặt tên là “nuclein”, về sau chính chất này là “nucleic acid”, hay "deoxyribonucleic acid", hay "DNA".

Vào thập niên 1900s, nhà khoa học Nga Phoebus Levene (1869 – 1940) tiếp tục công trình nghiên cứu của Miescher, cho biết nhân tế bào chứa 2 loại nucleic acids là DNA và RNA. DNA cấu tạo bởi 4 chất bases là Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Thymine (T); deoxyribose và một nhóm phosphate.

Nhờ có phát minh mới của máy sắc phân giải (chromatography), nhà khoa học người Áo Erwin Chargaff, phân tích nhiều loại DNA của nhiều sinh vật và khám phá thêm thành phần cấu tạo của DNA, ông nhận thấy rằng tổng số thành phần purines (A+ G) và tổng số pyrimidines (C + T) bằng nhau.

Nhờ phát minh mới của kỹ thuật chụp hình quang tuyến X các tinh thể (X-ray cristallography), hai nhà khoa học người Anh là Rosalind Franklin và Maurice Wilkens đã cho thấy cấu trúc hình dạng rõ ràng về DNA. Chính nhở những khám phá kéo dài 84 năm (1869 – 1953) đã lót đường cho James Watson và Francis Crick kết luận về cấu trúc 3 chiều của DNA, và DNA cấu tạo bởi cặp DNA hình trôn ốc vào năm 1953. Crick, Watson cùng với Wilkins nhận giải Nobel Sinh lý & Y học  năm 1962 vì  công trình khám phá DNA.

Hình 5. Kiến trúc cặp DNA xoắn hình trôn ốc

Gen. Gen là một đoạn (hay nhiều đoạn) của một nhiễm-thể, tương ứng với một hay nhiều chuỗi (sequence) DNA mang mã thông tin cần thiết để sản xuất protein đặc thù, và protein này thực hiện một phận sự đặc biệt nào đó trong tế bào. Các gen khác nhau ở chuỗi bases.

Cho một đặc tính di truyền (trait), cần có một cặp gen chi phối, mỗi gen nằm trên một nhiễm-thể (bởi vì 2n), gen này gọi là allele. Nếu cả 2 alleles này y hệt nhau, gọi là đồng-hợp-tử (homozygote). Nếu chúng khác nhau gọi là dị-hợp-tử (heterozygote), trong đó có một allele ưu tính (dominant, viết chữ hoa), và allele kia liệt tính (recessive, viết chữ thường). Chẳng hạn, hình dạng hạt đậu do 2 alleles chi phối, một allele cho hạt tròn ưu tính (R), allele kia cho vỏ nhăn nheo liệt tính (r). Allele ưu tính được thể hiện, còn allele liệt tính thì bị che khuất. Vì vậy, hạt đậu tròn có cặp alleles (RR) hay (Rr), còn hạt nhăn có cặp allele liệt tính (rr).

Hệ-gen – Hệ-di-truyền (Genome). Hệ gen hay hệ di truyền là toàn bộ DNA bao gồm tất cả gen. Mỗi hệ-gen chứa đựng tất cả thông tin cần thiết. Ở người, toàn hệ gen chứa trên 3 tỷ cặp DNA.

Thuyết tiến hóa và di truyền học. Charles Darwin (1809 – 1882), người Anh, là người tiên phong đặt nền tảng thuyết tiến hóa (Evolution). Theo thuyết Darwin, mọi sinh vật phải tranh đấu để sinh tồn (struggle for survival), sinh vật nào kém thích nghi với môi trường thì ít có khả năng tồn tại, sinh vật nào thích ứng tốt với môi trường thì có khả năng sống còn, có khả năng sinh sản mạnh và truyền lại thế hệ sau các đặc tính di truyền tốt này. Với thời gian, các thế hệ sau tiếp tục được sàng sẩy cho thích ứng hơn – sự tuyển chọn của thiên nhiên (natural selection) – hậu quả đưa đến các loài mới.

Môi trường sống biến đổi, có thể đột ngột, theo không gian và thời gian, một số sinh vật bị tuyệt chủng. Để sinh tồn sinh vật sống sót phải có khả năng tiến-hóa để thích nghi (adaptation) với môi trường mới, và phải có khả năng di truyền lại thế hệ sau những khả năng thích ứng này.

Do tuyển chọn bởi thiên nhiên qua thời gian dài, trải qua nhiều thế hệ, bộ máy di truyền của tập đoàn chủng loại được cải thiện hoàn hảo hơn để thích ứng môi trường mới.

Lamark (1744–1829) cũng giải thích thuyết tiến hóa dựa trên 4 ý tưởng:

(1) Nội lực tiến hóa. Sinh vật đơn giản có khuynh hướng tiến hóa thành sinh vật phức tạp hơn. Chẳng hạn cây cối và thú vật đều có khuynh hướng gia tăng kích thước thể xác.

(2) Môi trường biến đổi tạo nhu cầu mới. Môi trường thay đổi theo không gian và thời gian, làm biến đổi môi-trường-sống (habitat). Hậu quả là môi-trường-sống mới tạo sinh vật có nhu cầu mới, và để sinh tồn chúng phải biến đổi bản chất và cấu trúc cơ thể để thích nghi với môi-trường-sống mới.

(3). Cơ quan hữu dụng và vô dụng. Bộ phận hay cơ quan nào trong cơ thể được sử dụng thường xuyên có khuynh hướng sinh trưởng và phát triển hữu hiệu, còn bộ phận nào không sử dụng có khuynh hướng thoái hóa, biến mất hay chỉ còn dấu vết.

(4). Các đặc tính thích nghi do môi-trường-sống mới tạo nên được truyền lại thế hệ sau.

Sự tiến hóa xảy ra trong thiên nhiên rất chậm, phải mất 3,5 tỉ năm để tiến hóa từ một sinh-vật-đơn-bào thành con người và các chủng loại động thực vật đa dạng phong phú, gồm khoảng 1,74 triệu loài sinh-vật như ngày nay.

Trong thiên nhiên, chính nhờ các hiện tượng trao-đổi-chéo (crossing-over) lúc phân-bào-giảm-nhiễm (meiosis), chuyển-gen (gene transfer) từ sinh vật này sang sinh vật khác, nhất là từ virus, hay vi-khuẩn sang ký chủ, trao-đổi-gen (gene exchange), đột-biến (mutation), v.v. làm biến đổi gen và hệ-gen (xem phần 3, kỳ tới). Hiện tượng đa-bội (polyploidy), lai-tạo (hybridation) làm biến đổi hệ-gen, làm gia tăng số nhiễm-thể, sinh vật gia tăng cường-tính (vigour), dễ thích nghi môi trường mới. Tất cả các hiện tượng di truyền xảy ra trong thiên nhiên nói trên đều góp phần tạo loài mới, giống mới, và càng ngày càng phức tạp, đa dạng và phong phú.

Ngoài việc thiên nhiên tuyển chọn tạo ra loài (species), giống (genus) hay tộc họ (family) mới, con người từ lúc từ giã lối sống săn bắn và thu lượm thức ăn đến thời kỳ biết thuần hóa thú hoang (domestication) thành thú nuôi, và thuần hóa cây hoang dại thành cây thực phẩm cách đây 11 – 12 ngàn năm, rồi con người biết tuyển chọn con thú hay cây hoa màu có năng suất và phẩm chất tốt hơn để nuôi trồng.

Con người đã biết lai-tạo (hybridation) giống mới ngay sau thời kỳ biết thuần hóa, cách đây khoảng 9 đến 11 ngàn năm. Nông gia thời cổ đại quan sát và tìm thấy giống mới lấy từ hạt của những hoa mà phấn hoa được ong bướm mang đến từ một cây khác. Vì vậy, họ bắt chước tạo những giống mới bằng lai-tạo, lấy phấn hoa của cây này để vào nhị cái của hoa cây khác một cách may rủi. Sau đó, đem gieo tất cả và họ chọn những cây có những đặc tính tốt theo ý muốn để làm giống cho mùa sau.

Và, như vậy phương pháp lai tạo cổ điển, hay chuyển gen nhân tạo trong kỹ thuật sinh học di truyền (genetic engineering) hiện nay cũng chỉ bắt chước thiên nhiên kỳ diệu mà thôi, chứ không có gì trái với luật thiên nhiên.

Nếu lai-tạo cổ điển phải mất rất nhiều năm, chẳng hạn lúa phải tối thiểu 5 năm, cây rừng phải 30 năm, phải trải qua nhiều thế hệ tuyển chọn mới có một giống cải thiện mới, vì tốn nhiều công sức và thời gian để tuyển chọn thành rặc dòng mang đặc tính tốt; ngược lại kỹ thuật chuyển-gen tạo ra một giống mới với những đặc tính mong muốn rất nhanh chóng, vì hệ-gen không bị biến đổi.

 

Phương pháp lai tạo vẫn tiếp tục cho tới ngày nay, và cuộc cách mạng xanh đầu tiên xảy ra vào đầu thập niên 1960s với các giống lúa mì do CYMMIT và lúa IR do IRRI thực hiện.

Tuy nhiên, cuộc cách mạng xanh này chưa đủ để đáp ứng nuôi sống nhân loại trên đà dân số gia tăng quá nhanh trong lúc diện tích canh tác bị giới hạn, môi trường bị xấu đi và nước ngọt càng ngày càng bị hạn chế.

Nhân loại cần có những cuộc cách mạng thực phẩm tiếp theo với các kỹ thuật mới – cuộc cách mạng công nghệ sinh học.

Nhờ tích lũy kinh nghiệm quan sát ở di truyền học, tính liên kết (linkage) giữa các gen, các nhà khoa học tìm ra phương pháp đánh dấu gen (genetic marker) (xem phần 2). Từ đó, tìm phương pháp chuyển gen tốt (gene transfer) của sinh vật này vào hệ di truyền của sinh vật khác (phần 3) để tạo loài, giống mới. Cuộc cách mạng kỹ thuật nhảy vọt thêm một bậc cao hơn với phát minh các kỹ thuật tân kỳ như chuyển nhân và sinh sản vô tính (cloning) (phần 4), kỹ thuật biên tập hệ gen (phần 5), tế bào gốc (stem cell) (phần 6), cấy mô động thực vật (phần 7), và kỹ thuật quấy nhiễu RNA (RNA interference) (phần đã giúp tiến bộ vượt bực cho ngành trồng trọt, chăn nuôi, trồng rừng, đặc biệt cho ngành y tế gồm ngăn chận, chữa trị nhiều bịnh hiểm nghèo, phát minh nhiều thuốc y dược mới, ngành công nghiệp thẩm mỹ cũng ăn theo phát triển mạnh hơn bao giờ, v.v.

 

Hình 6. Số lượng bài tường trình khoa học theo thời gian kể từ 1996, khi kỹ thuật chuyển nhân (nucleus transfer) áp dụng tạo con cừu Dolly (1); năm 1997 bài tường trình đầu tiên về cừu Dolly xuất hiện (2); năm 1998 tế bào gốc người được thiết lập (3); năm 2001 Tổng Thống Bush hạn chế tài trợ nghiên cứu tế bào gốc ở cấp liên bang (4); năm 2006 kỹ thuật IPS ra đời (5); năm 2010 áp dụng chữa trị xương sống bằng tế bào gốc (6); năm 2013 tạo tế bào gốc người nhân tạo (7); năm 2014 áp dụng tế bào gốc nhân tạo chửa trị bịnh (8).

Nếu lấy năm 1996, là năm con cừu Dolly ra đời do chuyển nhân mà không sử dụng tới tinh trùng (Phần 4) làm mốc thời gian cho cách mạng kỹ thuật sinh học, ai cũng phải công nhận rằng trong vòng 10 năm nay, ngành kỹ thuật sinh học đã tiến bộ vượt bực với biết bao thành tựu khoa học, thấy rỏ qua số bài khoa học liên quan tới ngành phát triển tế bào gốc gia tăng gấp 12 lần trong thời kỳ từ 2006 đến 2014 (Hình 6).

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÁNH

Trần-Đăng Hồng (2013). Sinh vật biến đổi gen. Phần 2. Đại cương về di truyền học. Khoa học net ngày 26/2/2013.

Trần-Đăng Hồng (2013). Sinh vật biến đổi gen. Phần 3. Tuyển chọn bởi con người. Khoa học net ngày 6/3/2013.

Trần-Đăng Hồng (2013). Sinh vật biến đổi gen. Phần 4. Lai tạo DNA hay kỹ thuật chuyển gen. Khoa hoc net ngày 12/3/2013.

Trần-Đăng Hồng (2013). Sinh vật biến đổi gen. Phần 5. Cây hoa màu chuyển đổi gen. Khoa học net ngày 22/3/2013.

 

Đọc tiếp phần 2. Đánh dấu di truyền