Bài 3. Công nghệ gene - Chuyên đề học tập Sinh học 12 Kết nối tri thức

CH tr 19 CH 1

Chuyển gene từ loài này sang loài khác nhằm mục đích gì?

Phương pháp giải:

Lý thuyết mục đích chuyển gene.

Lời giải chi tiết:

Chuyển gene từ loài này sang loài khác nhằm mục đích tạo giống mới, để cho loài sau thừa hưởng những đặc tính tốt của loài trước, giúp tăng năng suất và hiệu quả của giống loài đó.

CH tr 21 CH 1

Hãy vẽ sơ đồ phác thảo 3 bước của một quy trình công nghệ gene cơ bản. Lấy ví dụ về nhân dòng và biểu hiện của một gene của người (như gene quy định hormone sinh trưởng HGH) trong tế bào vi khuẩn E.coli. Mục đích chuyển gene HGH của người vào tế bào vi khuẩn là gì?

Phương pháp giải:

Lý thuyết quy trình công nghệ gene.

Lời giải chi tiết:

Sơ đồ phác thảo 3 bước của một quy trình công nghệ gene cơ bản:

Ví dụ về nhân dòng và biểu hiện của một gene của người (như gene quy định hormone sinh trưởng HGH) trong tế bào vi khuẩn E.coli

- Nhân dòng gene HGH: gene HGH được cô lập từ DNA người và sau đó được chèn vào một vector plasmid đã được chuẩn bị sẵn có trình tự khởi đầu tái bản, gene chỉ thị chọn lọc và vị trí nhân dòng. Vector này sau đó được đưa vào tế bào E.coli thông qua quá trình biến nạp.

- Chọn lọ tế bào chứa plasmid tái tổ hợp: tế bào E.coli chứa plasmid tái tổ hợp được chọn lọc trên môi trường chứa kháng sinh. Chỉ những tế bào chứa plasmid với gene kháng kháng sinh mới có thể phát triển.

- Biểu hiện protein HGH: sau khi phân dòng, tế bào E.coli được kích thích để biểu hiện protein HGH. Điều này thường được thực hiện bằng cách thêm các chất kích thích vào môi trường nuôi cấy, dẫn đến việc phiên mã gene HGH thành protein hormone sinh trưởng người.

- Thu hoạch và làm sạch protein HGH: Protein HGH sau đó được thu hoạch từ môi trường nuôi cấy và trải qua các quá trình làm sạch để loại bỏ tế bào chết và protein không mong muốn. 

- Kiểm tra chất lượng: protein HGH được kiểm tra chất lượng để đảm bảo nó đáp ứng các tiêu chuẩn cần thiết.

Mục đích của việc chuyển gen HGH của người vào tế bào vi khuẩn là để gene hormone sinh trưởng trong quy mô lớn, một cách hiệu quả nhanh và kinh tế.

CH tr 23 CH 1

Nêu vai trò của vector trong công nghệ gene.

Phương pháp giải:

Lý thuyết vai trò của vector trong công nghệ gene.

Lời giải chi tiết:

Khi một đoạn DNA ngoại lai xâm nhập vào bên trong tế bào thì hệ thống enzyme của tế bào sẽ phân huỷ giống như cơ chế miễn dịch ở người chống lại các tác nhân bên ngoài xâm nhập vào cơ thể. Muốn gene chuyển vào tế bào có thể tồn tại, tái bản và phiên mã, dịch mã được thì gene phải được cài vào hệ gene của tế bào chủ hoặc ở trong một cấu trúc cho phép gene tồn tại, nhân bản, phiên mã và dịch mã bình thường được gọi là vector.

CH tr 23 CH 2

Tại sao vector cần có ba thành phần (thuộc tính phân tử): Trình tự khởi đầu tái bản, gene chỉ thị chọn lọc và vị trí nhân dòng?

Phương pháp giải:

Lý thuyết vai trò của vector trong công nghệ gene.

Lời giải chi tiết:

Vector cần có 3 thành phần để đảm bảo chúng có thể hoạt động hiệu quả trong việc chuyển gene và nhân dòng DNA

+ Trình tự khởi đầu tái bản: Đây là vị trí mà quá trình tái bản DNA bắt đầu, nếu không có thì DNA không thể tự tái lập trong tế bào chủ

+ Gene chỉ thị chọn lọc: thường là gene kháng kháng sinh, cho phép nhận biết và chọn lọc các tế bào chứa vector tái tổ hợp. Chỉ những tế bào chứa vector có gene này mới có thể sống sót trong môi trường có kháng sinh.

+ Vị trí đa nhân dòng (MCS): là nơi chèn DNA ngoại lai vào vector. Vị trí này thường chứa nhiều điểm cắt của enzyme giới hạn, tạo thuận lợi cho việc chèn gen ngoại lai vào vector.

Ba thành phần này cùng nhau tạo nên một vector hoạt động hiệu quả cho phép nhân dòng DNA ngoại lai trong tế bào chủ.

CH tr 27 CH 1

Vì sao phải sử dụng vector để chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác?

Phương pháp giải:

Lý thuyết chuyển gene.

Lời giải chi tiết:

Sử dụng vector để chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác vì chúng là công cụ hiệu quả để vận chuyển DNA ngoại lai vào tế bào chủ.

+ Vector có thể được thiết kế để thương thích với nhiều loại tế bào chủ khác nhau, từ vi khuẩn đến tế bào nhân thực.

+ Vector có các vị trí nhân dòng cho phép chèn DNA ngoại lai một cách dễ dàng và chính xác.

+ Vector có trình tự khởi đầu tái bản cho phép chúng tái bản độc lập với DNA của tế bào chủ.

+ Vector thường chứa gene chỉ thị chọn lọc, như gene kháng kháng sinh giúp dễ dàng xác định và chọn lọc tế bào chứa vector tái tổ hợp.

+ Vector giúp tăng hiệu quả chuyển gene và biểu hiện protein ngoại lai trong tế bào chủ.

CH tr 27 CH 2

Hãy sưu tầm các tài liệu về vi khuẩn chuyển gene có khả năng làm sạch các chất gây ô nhiễm môi trường như dầu mỏ, túi nilon,…

Phương pháp giải:

Sưu tầm qua sách báo, internet,...

Lời giải chi tiết:

Vi sinh vật biến đổi gene (GMMs) và ứng dụng của chúng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, bao gồm vi khuẩn có khả năng phân huỷ dầu mỏ và các chất gây ô nhiễm khác.

CH tr 28 LT & VD 1

Việc sử dụng cây GMO và động vật chuyển gene trong thực tiễn có thể mang lại các lợi ích và rủi ro gì với các cây trồng và vật nuôi truyền thống?

Phương pháp giải:

Lợi ích và rủi ro khi sử dụng cây GMO và động vật chuyển gene trong thực tiễn.

Lời giải chi tiết:

Lợi ích:

- Cây GMO

+ Cây trồng chống chịu các điều kiện bất lợi của môi trường (chịu hạn, chịu lạnh, chịu mặn, chịu nhiệt).

+ Giảm sử dụng thuốc trừ sâu hoá học (cây trồng kháng sâu)

+ Giảm chi phí sau thu hoạch (gene chín chậm, gene kháng mọt)

+ Tăng hiệu quả hấp thụ khoáng của cây (hạn chế gây xói mòn đất và bón phân)

+ Tăng giá trị dinh dưỡng của cây trồng 

+ Sử dụng tạo ra nguyên liệu trong công nghiệp như một số dạng tinh bột dùng làm tá dược hay để sản xuất xăng sinh học

- Động vật chuyển gene: Tạo ra chuột, thỏ, lợn, bò, cá để phục vụ cho mục đích nghiên cứu

+ Xác định chức năng gene

+ Nghiên cứu bệnh học

+ Sản xuất chế phẩm hoặc thuốc sinh học

+ Mô hình thử nghiệm thuốc và vaccine

Rủi ro:

- Kháng thuốc trừ sâu: có nguy cơ côn trùng và sâu bệnh phát triển khả năng kháng lại các loại thuốc trừ sâu mà cây GMO được thiết kế để chống lại.

- Tăng cường độ cỏ dại: Cây GMO có thể chuyển gene sang các loài thực vật hoang dã hoặc cỏ dại, làm tăng khả năng sống sót và cạnh tranh của chúng.

- Tác động đến đa dạng sinh học: ảnh hưởng đến các loài thực vật và động vật khác , cũng như hệ sinh thái trong tự nhiên

CH tr 28 LT & VD 2

Tại sao độc tố Bt có nguồn gốc vi khuẩn Bacillus thuringiensis được cây GMO tạo ra làm chết côn trùng (sâu bệnh) khi chúng ăn phải nhưng lại không gây độc cho chính vi khuẩn và cây GMO?

Phương pháp giải:

Lý thuyết cây GMO.

Lời giải chi tiết:

Độc tố Bt an toàn với vi khuẩn và cây GMO nhưng có khả năng tiêu diệt côn trùng do cơ thế hoạt động đặc biệt của nó:

+ Cơ chế hoạt động: độc tố Bt được sản xuất dưới dạng tinh thể không hoạt động trong vi khuẩn. Khi côn trùng ăn phải, tinh thể độc sẽ được hoạt hoá trong dạ dày kiềm của chúng, gây ra sự phá huỷ màng ruột và cuối cùng làm chết côn trùng.

+ Cây GMO được thiết kế để biểu hiện độc tố Bt không bị ảnh hưởng vì chúng không có cơ chế tiêu hoá giống như côn trùng, do đó không kích hoạt độc tố.

CH tr 28 LT & VD 3

Dựa vào kiến thức đã học, hãy trình bày quy trình các bước cần phải làm để tạo ra được vi khuẩn chuyển gene có thể sản sinh ra hormone sinh trưởng của người (HGH).

Phương pháp giải:

Dựa vào kiến thức đã học.

Lời giải chi tiết:

+ Để tạo ra các tế bào chuyển gene, người ta thường sử dụng các tế bào động vật nuôi cấy rồi cho biến nạp DNA tái tổ hợp vào trong tế bào.

+ Vector dùng để chuyển gene cho tế bào động vật thường là các loại retrovirus. Những loại retrovirus hay lây nhiễm các tế bào động vật được sử dụng làm vector vì chúng có sẵn khả năng xâm nhập vào tế bào động vật nhờ các thụ thể đặc hiệu. 

+ Khi vật chất di truyền của virus xâm nhập vào tế bào, chúng được phiên mã ngược thành DNA và tích hợp vào hệ gene của tế bào chủ. Các nhà khoa học cần loại bỏ phần lớn các gene của virus, chỉ giữ lại những gene cần thiết cho quá trình tải nạp và tích hợp gene chuyển vào nhiễm sắc thể của tế bào.