Cách mạng kỹ thuật sinh học - Phần 3
26/5/2017CÁCH MẠNG KỸ THUẬT SINH HỌC
Trần Đăng Hồng, PhD
Phần 3. KỸ THUẬT CHUYỂN GEN
Kỹ thuật khám phá và đánh dấu được gen mong muốn trong bản đồ hệ-gen của một sinh vật (Phần 2) là một chuyện, làm cách nào đưa được gen mong muốn đó vào hệ-gen của một sinh vật khác mà mình muốn tạo ra lại là một vấn đề khó khăn hơn, cần nhiều kỹ thuật khác.
Có hai loại chuyển gen: chuyển gen theo hướng thẳng đứng (vertical gene transfer), tức gen được di truyền từ cha mẹ xuống con cái, cháu chắt; và chuyển gen theo hàng ngang (horizontal gene transfer), tức gen mong muốn được chuyển từ một sinh vật này sang một sinh vật khác để tạo một sinh vật mới có mang gen mong muốn đó.
Phương pháp lai tạo (hybridation) cổ điển là cách chuyển gen theo hướng thẳng đứng, giống cha hay mẹ có mang gen tốt được cho lai với nhau, và theo luật di truyền Mendel, đời con có đứa biểu lộ được tính tốt, có đứa không vì tùy theo allele có ưu tính hay liệt tính. Vì vậy cần phải tuyển chọn (selection) qua nhiều thế hệ mới tìm được giống rặc, mới, có mang đặc tính tốt, tóm lại cần nhiều thời gian (3 – 10 năm) và kết quả tuyển chọn cũng không chắc chắn thành công.
Chuyển gen theo hàng ngang là kỹ thuật đốt giai đoạn, đưa thẳng gen tốt từ một giống hay loài này vào giống hay loài khác để tạo giống mới hay loài mới có mang gen tốt đó. Trong bài này, từ “chuyển gen” được hiểu là “chuyển gen theo hàng ngang”.
Chuyển gen (Gene transfer) còn được gọi “Transfer operon” hay “Tra operon” hay “Tra genes”. Năm 1979, David H Figurski và Donald R Helinski là người đầu tiên phát hiện một vùng chuyển gen trong hệ-gen plasmid của vi khuẩn. Plasmid là một phân tử DNA nhỏ, nằm ngoài dây nhiễm thể, có khả năng phân chia, và cũng gồm 2 phân tử DNA dạng hình tròn.
Hình 1. Sơ đồ vi khuẩn chứa DNA trên nhiễm thể và DNA trong vòng Plasmid.
Trao đổi gen (gene exchange) và chuyển gen là hiện tượng xảy ra thường xuyên trong thiên nhiên cho cơ chế tiến hóa và sinh tồn, tạo ra nhiều chủng loại khác nhau thích nghi cho mỗi môi trường khác biệt.
Chẳng hạn, hạt phấn của loài cỏ kháng phèn bay xa đến một vùng khác lai tạo với loài cỏ cảm nhiễm chất phèn, hay ngược lại, tạo ra vô số các giống, loài cỏ mới, mà độ kháng phèn biến thiên từ không, qua yếu, đến mạnh. Thú vật, cũng vậy, hệ-gen cũng được trao đổi giữa chuột núi và chuột duyên hải qua các tiếp xúc giữa 2 tập đoàn.
Chuyển-gen cũng được thực hiện tự nhiên từ sinh vật này đến sinh vật khác, cùng loài hay khác loài. Thuốc trụ sinh không tiêu diệt được hết 100% mầm bệnh. Vi khuẩn nào sống sót, kháng được thuốc trụ sinh này vì nhờ có sẳn gen-kháng-thuốc hay tạo được gen-kháng-thuốc do đột-biến. Chỉ sau vải thế hệ, gen-kháng-thuốc này được phát tán và chuyển gen hay trao-đổi-gen này vào cơ thể của vi khuẩn khác, và cuối cùng cả tập đoàn vi khuẩn trở thành kháng thuốc trụ sinh.
Trong thiên nhiên, gen của vi-khuẩn (1 tế bào, không nhân) cũng có thể chuyển tới sinh vật đa-bào có nhân. Chẳng hạn gen của men Saccharomyces cerevisiae xâm nhập vào hệ-gen của bọ Callosobruchus chinensis. Tương tự như vậy, trong hệ-gen của con bọ nước bdelloid rotifers có gen của vi khuẩn, nấm và thực vật. Siêu-vi-khuẩn (virus) có khả năng chuyển gen vào hệ-gen của ký chủ để gây bệnh.
Gen từ động vật cũng có thể chuyển đến thực vật. Cách đây 23.000 năm, một mảnh DNA chứa gen mang tên Hopscotch của loài ruồi trái cây Drosophile được chuyển vào hệ-gen của cỏ teosinte (Zea mays ssp. Parviglumis), làm biến đổi hệ-gen cây này, làm cây có trái lớn hơn, nhiều hột hơn, cây ít nhánh hơn, Chính cây biến-gen tự nhiên này là tổ tiên của loài bắp (ngô, Zea mays) ngày nay.
Trong thiên nhiên, trao đổi gen hay chuyển gen xảy ra có tính ngẫu nhiên, và rất chậm, phải chục năm, trăm năm hay hơn nữa, mới có một vài lần. Con người bắt chước thiên nhiên, nhưng với kỹ thuật tinh vi, nên chuyển gen nhanh chóng và kết quả chắc chắn. Đặc biệt, con người có chủ ý, chỉ chuyển gen tốt mà nhờ phương pháp đánh-dấu-di-truyền (phần 2) đã biết vị trí trên nhiễm thể vào sinh vật mới muốn cải thiện.
Có rất nhiều phương pháp chuyển gen:
Chuyển gen bắt chước theo thiên nhiên gồm:
- Kết hợp (Conjugation) gồm sự chuyển giao DNA ở vi khuẩn qua sự giao phối và đòi hỏi sự tiếp xúc giữa các tế bào (vi khuẩn). Đoạn DNA chứa gen đề kháng được chuyển từ vi khuẩn đề kháng sang vi khuẩn dể nhiễm bệnh qua trung gian của plasmid làm vi khuẩn này trở nên đề kháng.
- Chuyển đổi (transformation) gồm việc hấp thụ một đoạn ngắn DNA từ một vi khuẩn khác. Đây là cách chuyển gen tự nhiên thường xảy ra ở vi khuẩn.
- Truyền tải (transduction) gồm việc chuyển DNA từ một vi khuẩn này sang vi khuẩn khác lúc lây bệnh.
- Chuyển đổi vị trí (Transposition) là chuyển đổi DNA mang độc tính làm vi khuẩn nay trở nên kháng thuốc trụ sinh.
- Truyền tải do virus (Retroviral transduction) là diễn trình DNA xa lạ được xâm nhập vào tế bào qua trung gian của virus. Các nhà sinh học áp dụng cách truyền tải này để chuyển gen mong muốn vào bộ di truyền của sinh vật muốn cải thiện.
- Chuyển giao qua trung gian của vi khuẩn (Agrobacterium mediated transfer). Các nhà khoa học đã biết từ đầu thế kỷ 20 là Agrobacterium tumefaciens là mầm gây bệnh ở cây, nhưng chỉ bắt đầu sử dụng nó từ đầu thập niên 1980s để chuyển gen DNA vào tế bào thực vật cho mục đích cải tạo di truyền.
Vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens và nhiều loài Agrobacterium khác sống trong đất gây bệnh tạo u bướu ở thực vật. Vi khuẩn chuyển vòng plasmid ung bứu Ti (Ti plasmid, Ti = tumor inducing) vào tế bào của cây ký chủ (Hình 1), để kết hợp với hệ-gen cây ký chủ sản xuất chất kích-thích-tố như auxin, cytokinin gây bứu-u và sản xuất thực phẩm cho vi khuẩn sinh sống nẩy nở. Bứu u càng phát triển lớn càng sản xuất nhiều thực phẩm cho vi khuẩn. Vòng-Ti chứa 196 gen mã hóa 195 loại protein. Vòng-Ti mất khả năng gây bứu u khi nhiệt độ nuôi Agrobacterium cao quá 28 °C.
Ngày nay, ngoài việc bắt chước cách chuyển gen của thiên nhiên, các nhà khoa học phát minh thêm kỹ thuật chuyển gen nhân tạo.
Chuyển gen nhân tạo gồm các biện pháp:
Phương pháp vật lý gồm kỹ thuật chích thẳng (Macroinjection dùng kim chích nhỏ chích DNA vào vùng tế bào; và Microinjection dùng kim chích thật nhỏ 0,5 – 10 µ chích vào tế bào), hay trộn lẫn nguyên sinh chất (Protoplasm fusion), hay bằng cách bắn nucleic acid được bọc bằng lớp vỏ tungsten 1-µm như một viên đạn (Biolistics transformation), bắn bằng súng hơi với vận tốc rất lớn.
Phương pháp hóa học bằng calcium phosphate, polythene glycol, DEAE-Dextran, hay qua trung gian liposome (túi chứa lipid).
Phương pháp xử lý bằng điện gồm electroporation (đưa DNA hay nhiễm thể vào tế bào bằng một dòng điện để tạo một lỗ hổng ở màng tế bào cho DNA hay nhiễm thể chui vào) hay phương pháp Electrofusion (dùng dòng điện để hàn 2 tế bào thành 1 tế bào).
Tái-tổ-hợp-DNA (rDNA, Recombinant DNA). Phân tử tái-tổ-hợp rDNA là các phân tử DNA được tạo thành bằng kỹ thuật tái tổ hợp di truyền ở trong phòng thí nghiệm, mục đích mang nhiều nguồn di truyền khác nhau, ít nhất là từ 2 nguồn, vào một hệ-gen. Phân tử tái-tổ-hợp rDNA còn gọi là chimeric DNA. Phân tử tái-tổ-hợp rDNA có thể gồm nhiều nguồn gốc khác nhau, chẳng hạn DNA của thực vật có thể tổ hợp với DNA của vi khuẩn, hay DNA của người với DNA của nấm. Hơn nữa, DNA nhân tạo (không có trong thiên nhiên) cũng có thể tổ hợp với DNA thiên nhiên. Protein được rDNA chỉ đạo sản xuất được gọi là protein-tái-tổ-hợp (recobinant proteins).
THÀNH QUẢ CỦA KỶ THUẬT CHUYỂN GEN
Chuyển gen và rái-tổ-hợp rDNA được áp dụng rộng rãi ở công nghiệp sinh học, y học và nghiên cứu tổng quát.
- Công nghiệp làm cheese (phó mát). Trong kỹ thuật làm cheese cổ truyền, enzyme chymosin trích từ bao tử của bò con còn bú. Ngày nay, chymosin nhân tạo được sản xuất từ dòng K12 của vi khuần E. coli sau khi được biến đổi hệ-gen bằng tái-tổ-hợp DNA.
- Insulin nhân tạo. Trước đây, insulin chữa bệnh tiểu đường trích từ thú vật như heo hay bò, giá rất đắc.Ngày nay, dùng phương pháp chuyển gen tạo insulin của người vào tế bào vi khuẩn E. coli hay men Saccharomyces cerevisiae để sản xuất đại trà insulin.
- Kích thích tố tăng trường (growth hormone, HGH, somatotropin). Ở vài người, tuyến pituitary ở não bộ không sản xuất đủ kích thích tố tăng trưởng để cơ thể tăng trưởng và phát triển bình thường. Trẻ nít thiếu kích thích tố này thì thấp lùn và ốm khẳng khiu. Trước đây, kích thích tố tăng trưởng dùng chữa trị bệnh nhân phải lấy từ tuyến pituitary của xác người chết, tuy nhiên phương pháp này không an toàn vì bệnh nhân có thể bị lây nhiễm bệnh CJD (bịnh bò điên, mad cow disease). Ngày nay, dùng kỹ thuật tái-tổ-hợp DNA bằng cách nhét một gen mã hóa sản xuất HGH của người vào vi khuẩn, và vi khuẩn trở thành nhà sản xuất HGH an toàn cho người. HGH nhân tạo này có tên protropin.
- Thuốc cầm máu. Bệnh hemophilia (xuất huyết không dứt) là một bệnh di truyền vì thiếu yếu tố VIII (factor VIII) để máu có thể đông đặc thành cục chận vết thương ra máu. Yếu tố VIII sản xuất bởi tế bào ở gan. Trước đây, chữa trị bệnh này bằng cách tiêm vào cơ thể yếu tố VIII do nhiều người hiến tặng, phương pháp này không an toàn vì bệnh nhân có thể bị nhiễm HIV hay hepatitis B. Ngày nay, FVIII nhân tạo được sản xuất đại trà bằng cách tai-tổ-hợp gen phụ trách sản xuất FVIII của người vào tế bào của chuột.
- Thuốc chích ngừa hepatitis B. Vòng plasmid chứa một phần gen của virus hepatitis B mã hóa chất HbsAg là chất kháng antigen được đưa vào men Saccharomyces cerevisiae. Men tái-tổ-hợp gen này sản xuất đại trà thuốc chũng ngừa hepatitis B.
- Chữa trị bịnh Parkinson.
- Chữa trị các bịnh rối loạn LSD (lysosomal storage disorder). LSD là một nhóm gồm khoảng 50 bệnh do yếu tố di truyền làm hư hại chức năng của lysosome. Lysosome là các túi chứa enzyme giúp tế bào tiêu hóa các phân tử lớn và chuyển các mảnh đến nơi khác trong tế bào để tái chế.
- Hạt gạo vàng (golden rice). Trẻ nít ở các nước đang phát triển thiếu dinh dưỡng, nhất là thiếu vit A, mà β carotene là chất cần thiết sản xuất Vit A. Cây lúa bình thường sản xuất được chất β carotene trong lá lúa, nhưng hạt lúa không sản xuất được sắc tố này. Muốn hạt lúa sản xuất được sắc tố này, các nhà khoa học cần phải đính vào hệ-gen lúa 2 gen: psy (sản xuất sắc tố phytoene) lấy từ cây hoa huệ vàng (daffodil, Narcissus pseudonarcissus), và crtI lấy từ vi khuẩn Erwinia uredovora. Ở cây lúa được chuyển hai gen này sản xuất sắc tố lycopene và khi đến hột thì được phân hóa thành β carotene, làm hạt gạo có màu vàng. Năm 2005, công ty Syngenta (của Thụy Sỉ) tạo ra giống “Golden Rice 2”, bằng cách đính vào hệ-gen lúa một gen sản xuất sắc tố phytoene của bắp và gen ctt1 của Golden Rice nguyên thủy. Golden rice 2 sản xuất 23 lần carotenoids nhiều hơn giống Golden Rice nguyên thủy (khoảng 37 µg/g).
-Cây thực phẩm kháng thuốc diệt cỏ. Trước kia, thuốc diệt cỏ cũng có thể giết luôn cây hoa màu, chẳng hạn trong ruộng lúa có đủ loại cỏ song tử diệp và đơn tử diệp, diệt được cỏ song tử diệp thì không diệt được đơn tử diệp, mà diệt được đơn tử diệp thì lúa cũng bị chết. Hảng sản xuất thuốc diệt cỏ Bayer của Đức tạo được giống lúa LibertyLink, đề kháng glufosinate, chất căn bản làm thuốc diệt cỏ Liberty của hảng Bayer. Mới đây Bayer thành công tạo giống lúa chuyển-gen LL62 đề kháng được thuốc diệt cỏ Liberty.
Ngày nay có rất nhiều giống hoa màu như đậu nành, bắp, sorghum, bông vải kháng được thuốc diệt cỏ glyphosate (thương hiệu Roundup) bằng cách tái-tổ-hợp gen.
- Giống cây trồng kháng sâu. Vi khuẩn Bacillus thuringeiensis sản xuất một độc tố Bt giết được côn trùng. Các nhà khoa học chuyển gen Bt của vi khuẩn vào hệ-gen của cây hoa màu, làm cây đề kháng côn trùng. Công ty Mosanto dẫn đầu thế giới tạo giống bắp kháng sâu, đầu tiên với giống MON 809. Kế tiếp là bắp biến-đổi-gen MON 810 hay YieldGard với gen Bt 11 và Bt 176, gen tạo ra độc tố giết được sâu đục thân và đục trái bắp nhưng vô hại với động vật khác như cầm thú và người. Tiến thêm một bực là MON 863 kháng thêm sâu-đục-rễ bắp (corn rootworm) nhờ chuyển thêm gen Cry3Bb1 cũng từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis. Một giống bắp mới gọi chung là “Monsanto's triple-stack corn” kết hợp 3 yếu tố, gồm kháng thuốc diệt cỏ Roundup Ready, kháng sâu đục thân YieldGard Corn Borer và kháng sâu phá rễ YieldGard Rootworm.
- Cải thiện cá hồi Đại Tây Dương (Atlantic salmon) tăng trưởng gấp đôi trọng lượng trong cùng thời gian mà ăn thực phẩm như nhau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÁNH
Wikipedia. Plasmid. https://en.wikipedia.org/wiki/Plasmid
Plant breeding: https://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-online/02/02H059/t8.pdf
Michael Specter (2016). How the DNA Revolution Is Changing Us. National Geographic Magazine. http://www.nationalgeographic.com/magazine/2016/08/dna-crispr-gene-editing-science-ethics.html
Trần-Đăng Hồng (2013). Sinh vật biến đổi gen. Phần 5. Cây hoa màu chuyển đổi gen. Khoa học net ngày 22/3/2013.
Xem tiếp Phần 4 – Sinh sản vô tính