BÀI 4. HỆ GENE ĐỘT BIẾN VÀ CÔNG NGHỆ GENE

Mở đầu: Trước đây, các loại protein (hormone, enzyme, kháng thể,...) tự nhiên được phân lập trực tiếp từ cơ thể của các loài sinh vật. Tuy nhiên, phương pháp này gặp nhiều khó khăn trong quá trình tinh sạch, chi phí sản xuất cao, phải sử dụng số lượng lớn động vật, hoạt tính của protein chưa được như mong muốn, thành phần amino acid của protein ở động vật khác so với ở người nên có thể gây hiện tượng dị ứng khi sử dụng,... Các nhà khoa học có thể khắc phục những khó khăn này bằng cách nào?

Giải nhanh:

- Áp dụng các công nghệ gene.

I. HỆ GENE

Câu 1: Đọc thông tin trong Bảng 4.1, hãy nhận xét tính đặc trưng về hệ gene ở một số loài sinh vật.

Giải nhanh:

- Các loài sinh vật khác nhau có hệ gene có kích thước và số lượng gene đặc trưng riêng.

Câu 2: Đọc đoạn thông tin và quan sát Hình 4.1, hãy cho biết:

a) Kết quả của dự án Hệ gene người là gì?

b) Hiện nay, giải mã hệ gene người đang được ứng dụng trong những lĩnh vực nào? Cho ví dụ.

Giải nhanh:

a, Kết quả của dự án Hệ gene người: Giải mã toàn bộ 3,1 tỉ cặp nucleotide trong DNA của người, xác định số lượng gene và các đặc điểm của hệ gene người.

b, Ứng dụng:

- Sử dụng trong điều trị ung thư: Chế tạo các thuốc trị liệu nhắm vào các protein như HER2 (ung thư vú), EGFR (ung thư phổi, ung thư đại tràng) để ức chế phát triển của tế bào ung thư.

- Ứng dụng trong pháp y và khoa học hình sự: Phân tích STR để xác định danh tính nạn nhân trong các vụ tai nạn và truy tìm thủ phạm trong các vụ án.

- Nghiên cứu sự phát triển và bệnh di truyền ở người: Thiết kế chip DNA "Lab-on-a-chip" để phân tích biểu hiện gen trong các giai đoạn phát triển cá thể.

Luyện tập: Tại sao việc giải mã thành công hệ gene người đã mở ra nhiều triển vọng trong việc bảo vệ sức khoẻ con người?

Giải nhanh:

Việc giải mã thành công hệ gene người đã giúp làm sáng tỏ cơ chế gây ra các đột biến hoặc bất thường gen gây bệnh ở con người. Đồng thời, nó mở ra cánh cửa cho các phương pháp điều trị mới như sửa chữa hoặc loại bỏ các gene bất thường và thay thế bằng các gene lành, được gọi là liệu pháp gene. Đây là đóng góp quan trọng giúp bảo vệ sức khỏe của con người.

II. ĐỘT BIẾN GENE

Câu 3: Quan sát Hình 4.2, hãy cho biết thế nào là gene đột biến và ảnh hưởng của đột biến gene đến sinh vật. 

Giải nhanh:

- Đột biến gene là những biến đổi trong cấu trúc của gene, có thể bao gồm một cặp nucleotide (đột biến điểm) hoặc nhiều cặp nucleotide.

- Thường thì đột biến gene là những thay đổi lặn, không được phản ánh trong hiện tượng vật lý của sinh vật.

- Những đột biến này có thể có hại cho sinh vật bằng cách làm giảm sức sống, gây ra các bệnh và tật di truyền, trong một số trường hợp có thể dẫn đến tử vong.

Câu 4: Quan sát Hình 4.3, hãy 

a) Xác định các dạng đột biến điểm. 

b) Dự đoán sự thay đổi của gene (số lượng và trình tự nucleotide, số liên kết hydrogen) và protein sẽ bị ảnh hưởng như thế nào trong mỗi dạng đột biến đó.

Giải nhanh:

a, Đột biến thay thế một cặp nucleotide: Làm thay đổi trình tự nucleotide của gene, từ đó có thể thay đổi trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide và chức năng của protein, mà không làm thay đổi số lượng nucleotide và số liên kết hydrogen.

b, Đột biến mất một cặp nucleotide: Gây ra thay đổi về số lượng và trình tự nucleotide, cũng như số liên kết hydrogen, có thể dẫn đến đột biến dịch khung mã đọc, khiến trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide thay đổi và protein mất đi chức năng.

c, Đột biến thêm một cặp nucleotide: Làm thay đổi số lượng, trình tự nucleotide và số liên kết hydrogen, có thể làm thay đổi trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide và chức năng của protein.

Luyện tập: Đột biến gene diễn ra theo hướng nào ít làm biến đổi chuỗi polypeptide nhất? Giải thích.

Giải nhanh:

Đột biến đồng nghĩa (đột biến im lặng) ít làm biến đổi chuỗi nucleotide nhất. Vì đột biến này làm cho codon này bị biến đổi thành một codon khác nhưng mã hoá cùng một loại amino acid, có nghĩa là chuỗi nucleotide không thay đổi.

Câu 5: Tại sao thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời có thể gây đột biến gene?

Giải nhanh:

Tia UV trong ánh nắng mặt trời có thể gây biến dạng cho DNA bằng cách làm hai base thymine kế nhau trên cùng một mạch liên kết với nhau. Điều này có thể dẫn đến phát sinh đột biến thêm hoặc mất một cặp nucleotide trong gene.

Câu 6: Quan sát Hình 4.4, dự đoán dạng đột biến gene khi có mặt nucleotide

dạng hiếm. Vẽ sơ đồ minh hoạ cơ chế phát sinh đột biến.

Giải nhanh:

- Dạng đột biến gene khi có mặt nucleotide dạng hiếm là đột biến thay thế một cặp nucleotide.

- Sơ đồ minh họa cơ chế phát sinh: T* - A → T* - G → G - C.

Câu 7: Quan sát Hình 4.5, mô tả cơ chế phát sinh đột biến gene khi có sự tác động của 5–BU.

Giải nhanh:

Cơ chế phát sinh đột biến gene khi có sự tác động của 5-BU: 5-BU là chất hoá học có khả năng bắt cặp bổ sung với adenine hoặc guanine gây đột biến thay thế cặp A – T thành cặp G - C hoặc ngược lại. Khi DNA nhân đôi lần 1, 5-BU thay thế T bắt cặp với A; sau đó DNA nhân đôi lần 2, mạch chứa 5-BU trở thành mạch khuôn, 5-BU bắt cặp với G; đến khi DNA nhân đôi lần thứ 3, theo NTBS thì G liên kết với C; từ đó gây ra đột biến thay thế một cặp A-T thành một cặp G-C.

Câu 8: Cho thêm một số ví dụ về vai trò của đột biến gene trong chọn giống.

Giải nhanh:

- Đột biến làm xuất hiện bộ ba kết thúc sớm đã tạo ra các loại súp lơ trắng và súp lơ xanh từ cây cải, trong khi những nhánh tiến hoá từ cùng tổ tiên nhưng không bị đột biến đã hình thành các giống bắp cải và cải xoăn.

- Một đột biến ở gene điều hoà đã tăng lượng cơ bắp ở lợn, tạo ra giống lợn có thịt siêu nạc.

III. CÔNG NGHỆ GENE

Câu 9: Quan sát Hình 4.6 và mô tả quy trình tạo DNA tái tổ hợp.

Giải nhanh:

Quy trình tạo DNA tái tổ hợp gồm 3 bước:

• (1) Tách dòng và tạo DNA tái tổ hợp: Nguyên liệu được sử dụng là đoạn DNA hoặc gene mã hoá protein mong muốn, plasmid là loại vector được sử dụng phổ biến. Để tạo DNA tái tổ hợp, các nhà khoa học đã sử dụng các loại enzyme: enzyme cắt giới hạn, enzyme nối. Sau khi được tạo thành, DNA tái tổ hợp sẽ được chuyển vào tế bào nhận. Có hai phương pháp chuyển DNA tái tổ hợp vào tế bào chủ là phương pháp biến nạp và phương pháp tải nạp.

• (2) Biểu hiện gene và phân tích biểu hiện gene: 

• Để gene chuyển có thể biểu hiện trong tế bào chủ, các nhà khoa học sử dụng vector biểu hiện gene. Tế bào chủ mang DNA tái tổ hợp được nuôi cấy trong môi trường thích hợp nhằm tạo điều kiện cho gene chuyển được biểu hiện.

• Để nhận biết được tế bào vi khuẩn nào có chứa DNA tái tổ hợp, có thể phân tích sự có mặt và hợp nhất của gene chuyển trong tế bào chủ bằng kĩ thuật PCR hoặc lai phân tử. Sau quá trình biểu hiện gene, protein tái tổ hợp được tách chiết từ các dòng tế bào chủ và được kiểm tra bằng phương pháp điện di.

• (3) Sản xuất protein tái tổ hợp: Sau khi được thu nhận, người ta tiến hành đánh giá chất lượng protein tái tổ hợp về đặc tính và chức năng so với protein tự nhiên. Cuối cùng, protein tái tổ hợp được đưa vào sản xuất ở các quy mô công nghệ khác nhau.

Câu 10: Quan sát Hình 4.7, hãy cho biết công nghệ DNA tái tổ hợp được ứng dụng trong những lĩnh vực nào. Cho ví dụ.

Giải nhanh:

1. Tạo chủng vi khuẩn tái tổ hợp:

   - Tạo các chủng vi khuẩn E. coli mang gene sản xuất các protein tái tổ hợp như hormone sinh trưởng (GH) ở động vật có vú, somatostatin, insulin, kháng thể đơn dòng, enzyme, vaccine, interferon,...

   - Tạo chủng vi khuẩn tái tổ hợp có khả năng phân huỷ chất độc để ứng dụng trong xử lý môi trường.

   - Nhân dòng các gene để tạo thư viện hệ gene.

2. Tạo chủng vi nấm tái tổ hợp:

   - Tạo dòng nấm men mang gene từ người và các loài sinh vật khác, giúp phân tích trình tự nucleotide, xác định các vùng chức năng và nghiên cứu cơ chế biểu hiện của các gene này.

   - Tạo chủng nấm men sản xuất enzyme tái tổ hợp và các protein của người.

Câu 11: Quan sát Hình 4.8, hãy cho biết nguyên lí của tạo thực vật biến đổi gene.

Giải nhanh:

Nguyên lí của tạo thực vật biến đổi gene: 

• Để chuyển gene vào cơ thể thực vật, vector được sử dụng phổ biến là Ti plasmid (đã làm mất khả năng gây bệnh. Trên plasmid của vi khuẩn này có một đoạn T-DNA (Transfer DNA, chứa các gene tạo khối u của vi khuẩn) có thể gắn với DNA của tế bào chủ. Bên cạnh đó, để chuyển gene vào thực vật có thể dùng súng bắn gene, chuyển gene trực tiếp qua ống phấn, vi tiêm ở tế bào trần, dùng virus,... 

• Việc chuyển plasmid tái tổ hợp vào tế bào thực vật có thể tiến hành theo hai phương pháp: (1) biến nạp vào tế bào thực vật nuôi cấy nhờ xung điện, (2) chuyển plasmid tái tổ hợp vào trở lại vi khuẩn A. tumefaciens rồi cho vi khuẩn lây nhiễm vào tế bào thực vật nuôi cấy hoặc trực tiếp vào cây.

Câu 12: Quan sát Hình 4.9, hãy cho biết nguyên lí của tạo động vật biến đổi gene.

Giải nhanh:

- Lấy trứng từ con cái và thụ tinh trong điều kiện sống (in vivo).

- Tiêm dung dịch chứa gene cần chuyển vào hợp tử ở giai đoạn nhân non của trứng.

- Nuôi cấy phôi đã biến đổi trong điều kiện nghiên cứu.

- Cấy phôi đã biến đổi vào tử cung của con cái.

- Con cái sinh sản và con cá mới sinh ra sẽ mang gene đã chuyển vào.

Luyện tập: Công nghệ gene có vai trò như thế nào đối với đời sống con người?

Giải nhanh:

- Sản xuất các giống thực vật và động vật biến đổi gene với các tính trạng có giá trị như:

  + Tăng khả năng kháng bệnh, chống chịu với điều kiện bất lợi.

  + Nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

- Sản xuất các loại thuốc chữa bệnh, nhờ vào khả năng sản xuất protein hoặc enzyme cần thiết cho điều trị bệnh.

Vận dụng: Theo em, việc tạo giống sinh vật biến đổi gene có trái với đạo đức sinh học không? Tại sao? Quan điểm của em như thế nào về việc sản xuất và sử dụng sản phẩm biến đổi gene?

Giải nhanh:

• Theo em, việc tạo giống sinh vật biến đổi gene có một phần trái với đạo đức sinh học. Vì:

• Một số sinh vật biến đổi gene được tạo ra mạng lại nhiều lợi ích và tác hại của chúng vẫn chưa được ghi nhận tính đến thời điểm hiện tại, những sinh vật này cũng được kiểm soát nghiêm ngặt bởi các đạo luật nên chúng được tạo ra không trái với đạo đức sinh học.

• Tuy nhiên, có một số sinh vật biến đổi gene được tạo ra không mang mục đích cụ thể, thậm chí còn gây ra tranh cãi và tác động tiêu cực, việc tạo ra những sinh vật đó là trái với đạo đức sinh học. Ví dụ điển hình là: tạo ra giống lợn mang khuôn mặt con người với mục đích nghiên cứu và làm vật nuôi.

• Quan điểm của em về việc sản xuất và sử dụng sản phẩm biến đổi gene: việc sản xuất và sử dụng sản phẩm biến đổi gene nếu được kiểm soát chặt chẽ và dùng đúng mục đích sẽ mang lại nhiều lợi ích cho con người, giải quyết được các vấn đề như năng suất cây trồng, an ninh lương thực; tuy nhiên sản phẩm biến đổi gene luôn khiến người tiêu dùng lo ngại về chính sự biến đổi gene đó.