Bài 3. Công nghệ gene và thành tựu - Chuyên đề học tập Sinh học 12 Chân trời sáng tạo

CH tr 19 MĐ

Vào năm 2000, một trong những sản phẩm dự án nghệ thuật chuyển gene mang tên “GFP Bunny” của giáo sư Eduardo Kac (thuộc học viện Nghệ thuật Chicago) chính là Alba-một chú thỏ bạch tạng có khả năng phát huỳnh quang (Hình 3.1). Chú thỏ này được tạo ra nhờ chuyển gene mã hóa protein huỳnh quang màu lục từ một loài sứa ở vùng Tây Bắc Thái Bình Dương. Bằng cách nào mà các nhà khoa học có thể chuyển gene từ sứa sang thỏ? Việc chuyển gene được thực hiện nhằm mục đích gì?

Phương pháp giải:

Chú thỏ này được tạo ra nhờ chuyển gene mã hóa protein huỳnh quang màu lục từ một loài sứa ở vùng Tây Bắc Thái Bình Dương.

Lời giải chi tiết:

- Chuyển gene từ sứa sang thỏ: Các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật chuyển gene, trong đó gene mã hóa protein huỳnh quang màu lục từ sứa được chèn vào bộ gen của thỏ. Điều này thường được thực hiện thông qua quá trình gọi là “microinjection,” nơi DNA chứa gene cần chuyển được tiêm trực tiếp vào hợp tử của thỏ.

- Mục đích: được sử dụng trong nghiên cứu khoa học để nghiên cứu biểu hiện của gene, phát triển mô hình bệnh, hoặc tạo ra các sản phẩm sinh học có ích.

CH tr 19 CH 1

Việc chuyển gene giữa các loài khác nhau được tiến hành dựa trên cơ sở nào?

Phương pháp giải:

Cơ sở chuyển gene.

Lời giải chi tiết:

Cơ sở: nguyên lí tái tổ hợp gene và nguyên lí biểu hiện gene.

CH tr 20 CH 1

Quan sát hình 3.2. hãy mô tả các bước trong công nghệ gene.

Phương pháp giải:

Quan sát hình 3.2

Lời giải chi tiết:

- Bước 1: Tách dòng phân tử (đoạn DNA hoặc gene mong muốn)

- Bước 2: Tạo vector tái tổ hợp

- Bước 3: Biến nạp vector tái tổ hợp vào tế bào chủ

- Bước 4: Tạo dòng vector tái tổ hợp và thu nhận sản phẩm

CH tr 21 CH 1

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

Phương pháp giải:

Vai trò của vector.

Lời giải chi tiết:

-  Việc chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác sẽ gặp nhiều khó khăn nếu chỉ thực hiện bằng phương pháp nạp trực tiếp đoạn gene cần chuyển vào tế bào:

+ Gene sau khi xâm nhập vào tế bào không thể tự tích hợp vào nhiễm sắc thể của tế bào nhận

+ Gene tự do không thể tiến hành quá trình nhân đôi và sẽ mất đi trong phân bào do bị phân huỷ bởi các enzyme

+ Mỗi gene thường chỉ có một bản sao trong tế bào nên không thể tiến hành cho biểu hiện gene nên không thể tiến hành cho biểu hiện gene nếu số lượng bản sao của gene quá ít

→ Để chuyển gene giữa các tế bào cần sử dụng vector chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác.

CH tr 22 CH 1

Quan sát hình 3.3 và 3.4, hãy chỉ ra những đặc điểm của các loại vector đảm bảo chúng có thể thực hiện chức năng chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác.

Phương pháp giải:

Quan sát hình 3.3 và 3.4

Lời giải chi tiết:

- Có trình tự khởi đầu sao chép (điểm Ori) để có thể tiền hành nhân đôi trong tế bào nhận.

- Có các trình tự nhận biết (palindrom) là vị trí enzyme cắt giới hạn (restrictase) nhận biết dễ cắt mở vòng DNA và gắn với gene cần chuyển, vị trí này thường nằm xa điểm Ori. Mồi trình tự nhận biết chỉ đặc hiệu với một loại enzyme cắt giới hạn; tuy nhiên, trên một vector có thể chứa nhiều trình tự nhận biết đứng liên tiếp nhau tương ứng với các loại enzyme cắt giới hạn khác nhau được gọi là vị trí đa nhân dòng (multiple cloning sites = MCS).

- Có trình tự khởi động (promoter) để tiến hành phiên mã gene cần chuyển. Ngoài promoter, cần có thêm các trình tự nucleotide khác cần thiết cho sự biểu hiện của gene (như ribosome binding, sites - R8S là vùng liên kết với ribosome để dịch mã)

- Đảm bảo được sự di truyền bền vững của DNA tái tổ hợp ở dạng độc lập hoặc khi gắn vào nhiễm sắc thể của tế bào nhận.

- Có các gene chỉ thị (gene đánh dấu - marker genes) để nhận biết được tế bào nhận cỏ chứa DNA tái tổ hợp. Thông thường, gene chỉ thị được sử dụng là các gene quy định khả năng kháng thuốc kháng sinh trên plasmid của vi khuẩn như gene kháng ampicillin, gene kháng tetracycline gene mã hóa enzyme beta-galactosidase; ở nấm men, gene chỉ thị được sử dụng là trp1 và ura3 mã hoá các enzyme cho phép tế bào nấm men sản xuất tryptophan và uracil trong môi trường khuyết dưỡng các chất này.

- Có nhiều bản sao để thu nhận với số lượng lớn và đảm bảo sự khuếch đại của gene được gắn vào.

CH tr 23 LT

Hiện nay, nhiều loại vector chuyển gene đã đươc cải biến để nâng cao hiệu quả chuyển gene. Theo em, người ta có thể cải biến những đặc điểm nào của vector?

Phương pháp giải:

Lý thuyết vector

Lời giải chi tiết:

Kích thước và dung tích: Vector cần đủ lớn để chứa gen cần chuyển, nhưng không quá lớn để không thể tiêm vào tế bào mục tiêu. Cải biến kích thước và dung tích của vector giúp tối ưu hóa việc chuyển gene.

Nguyên tắc sao chép: Cải biến nguyên tắc sao chép của vector để đảm bảo rằng gen chuyển được sao chép đúng cách trong tế bào mục tiêu. Điều này có thể bao gồm việc thay đổi các vùng nguyên tắc sao chép hoặc thêm các vùng điều khiển.

Khả năng chuyển: Vector cần có khả năng chuyển gen vào tế bào mục tiêu. Cải biến vector để tăng khả năng chuyển gene có thể bao gồm việc thay đổi các vùng nhận dạng tế bào hoặc tăng khả năng tiếp xúc với tế bào.

Tính ổn định: Vector cần phải ổn định trong tế bào mục tiêu để đảm bảo rằng gen chuyển không bị mất đi. Cải biến vector để tăng tính ổn định có thể bao gồm việc thêm các vùng giữ ổn định.

Chọn loại vector phù hợp: Có nhiều loại vector như plasmid, virus, hoặc phức hợp liposome. Cải biến loại vector để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu cụ thể.

CH tr 23 CH 1

Quan sát hình 3.5, hãy mô tả các bước tạo vector tái tổ hợp từ plasmid

Phương pháp giải:

Quan sát hình 3.5

Lời giải chi tiết:

- Tách vector và gen cần chuyển

- Chuyển gene cần chuyển vào vector để tạo vector tái tổ hợp

- Sau khi được tạo thành, plasmid tái tổ hợp sẽ được chuyển vào tế bào chủ 

CH tr 23 CH 2

Sau khi chuyển vào tế bào, bằng cách nào có thể phát hiện dòng tế bào mang plasmid tái tổ hợp?

Phương pháp giải:

Lý thuyết công nghệ gene

Lời giải chi tiết:

Sau khi chuyển vào tế bào, để phát hiện dòng tế bào mang plasmid tái tổ hợp, thường sử dụng các gen chỉ thị đặc hiệu. Các gen này có thể là gen đánh dấu hoặc gen phát sáng. Nhờ chúng, chúng ta có thể nhận biết các dòng tế bào mang ADN tái tổ hợp.

CH tr 24 CH 1

Các loại tế bào chủ được sử dụng trong công nghệ gene cần có những đặc điểm gì?

Phương pháp giải:

Lý thuyết đặc điểm tế bào trong công nghệ gene.

Lời giải chi tiết:

- Dễ nuôi cấy

- Có tốc độ sinh trưởng nhanh

- Dễ thu nhận nhiều loại vector

CH tr 24 CH 2

Quan sát hình 3.6, hãy mô tả các bước tạo thực vật chuyển gene nhờ Ti plasmid.

Phương pháp giải:

Quan sát hình 3.6

Lời giải chi tiết:

Chọn tế bào mục tiêu: Chọn tế bào thực vật mục tiêu để chuyển gene.

Chuẩn bị Ti plasmid: Ti plasmid là một loại plasmid có khả năng chuyển gene. Nó được chuẩn bị và tách riêng.

Chuyển Ti plasmid vào vi khuẩn Agrobacterium: Vi khuẩn Agrobacterium chứa Ti plasmid được chuyển vào tế bào thực vật.

Tế bào thực vật hấp thụ Ti plasmid: Tế bào thực vật hấp thụ Ti plasmid qua vết cắt hoặc vết thương.

Chuyển gene vào tế bào thực vật: Ti plasmid chứa gene mong muốn được chuyển vào tế bào thực vật.

Tạo cây chuyển gene: Tế bào thực vật sau khi chuyển gene sẽ phát triển thành cây chuyển gene.

CH tr 26 CH 1

Quan sát hình 3.7, hãy cho biết nguyên lý của phương pháp tạo thực vật chuyển gene nhờ súng bắn gene.

Phương pháp giải:

Quan sát hình 3.7

Lời giải chi tiết:

Nguyên lí: Sử dụng áp lực của xung khí helium để đẩy các viên đạn có kích thước nhỏ mang các gene mong muốn (các viên đạn này thường được làm bằng Au, Tungsten, titanium hoặc vonfram), xuyên qua các lớp tế bào, mô để xâm nhập vào genome thực vật.

CH tr 26 CH 2

Hãy cho biết vai trò của các giống thực vật chuyển gene trong bảng 3.1.

Phương pháp giải:

Quan sát bảng 3.1

Lời giải chi tiết:

CH tr 26 CH 3

Kể thêm một số thành tựu chuyển gene ở thực vật mà em biết.

Phương pháp giải:

Học sinh tự kể thêm thành tựu mà em biết.

Lời giải chi tiết:

- Súng bắn gene (gene gun): Sử dụng viên đạn vi nhỏ có khối lượng cao để tạo gia tốc và xuyên qua vỏ và màng tế bào thực vật.

- Viên đạn chứa DNA: Viên đạn chứa DNA ngoại lai được bọc ngoài bằng các hạt kim loại như vàng hoặc bạc.

- Bắn vào tế bào thực vật: Viên đạn được bắn vào tế bào thực vật, đưa lớp DNA bọc ngoài tiếp xúc với bộ máy di truyền của tế bào.

- Thâm nhập DNA: Viên đạn thâm nhập vào tế bào qua vết thương tạo ra bởi súng bắn gene.

- Tạo cây chuyển gene: Tế bào thực vật sau khi chuyển gene sẽ phát triển thành cây chuyển gene.

CH tr 28 CH 1

Quan sát hình 3.8, hãy mô tả quá trình tạo chuột chuyển gene bằng vector virus. 

Phương pháp giải:

Quan sát hình 3.8

Lời giải chi tiết:

Quá trình tạo chuột chuyển gene:

- Bước 1: Thu nhận phôi ở giai đoạn tám tế bào

- Bước 2: Lây nhiễm virus vào phôi

- Bước 3: Cấy phôi vào tử cung của chuột cái mang thai hộ

- Bước 4: Sinh sản

CH tr 28 CH 2

Hãy cho biết phương pháp tạo chuột chuyển gene có ưu điểm và hạn chế gì.

Phương pháp giải:

Quan sát hình 3.8

Lời giải chi tiết:

- Ưu điểm:

+ Biểu hiện ổn định: Kỹ thuật này thường cho phép biểu hiện gen trong thời gian dài, giúp nghiên cứu sự ảnh hưởng của gen trong quá trình phát triển tế bào.

+ Dễ thực hiện: Protocol đơn giản, ít tốn kém và không yêu cầu nhiều tế bào chết sau biến nạp.

+ Sử dụng rộng rãi: Phương pháp này được áp dụng trong việc tạo động vật chuyển gene và nghiên cứu sự kiểm soát di truyền của ung thư.

- Hạn chế:

+ Hiệu suất biến nạp thấp: Mức độ biểu hiện của gen chuyển thấp so với số lượng tế bào biến nạp.

+ Khả năng chọn lọc: Khó để chọn lọc tế bào đã biến nạp gen một cách đáng tin cậy.

+ Khả năng gây bệnh: Cần sử dụng virus an toàn để tránh gây bệnh cho vật chủ.

CH tr 28 CH 3

Quan sát hình 3.9, hãy mô tả quá trình tạo chuột chuyển gene bằng vi tiêm.

Phương pháp giải:

Quan sát hình 3.9

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Cho chuột giao phối và lấy trứng đã thụ tinh

Bước 2: Gene cần chuyển được tiêm vào hợp tử giai đoạn nhân non

Bước 3: Phôi chứa gene chuyển vào được cấy vào tử cung của chuột cái mang thai hộ

Bước 4: Kiểm tra sự có mặt của gene cần chuyển ở thế hệ sau bằng lai phân tử hoặc PCR.

CH tr 29 CH 1

Hãy cho biết vai trò của các giống động vật chuyển gene trong bảng 3.2.

Phương pháp giải:

Quan sát bảng 3.2

Lời giải chi tiết:

Vai trò

- Chuột nhắt: Tăng kích thước: Chuột nhắt chuyển gen có thể có kích thước lớn hơn chuột bình thường nhiều lần. Gen hormone sinh trưởng giúp tăng sự phát triển và kích thước của cơ thể.

- Cừu: Tổng hợp cysteine: Cysteine là một amino acid thiết yếu trong cơ thể. Nó tham gia vào việc tạo thành các protein, enzyme, và các phân tử khác. Chuyển gene cysE và cysK giúp cừu tổng hợp cysteine một cách hiệu quả hơn.

- Bò: Sản xuất sữa chứa alpha-lactalbumin: Alpha-lactalbumin là một loại protein điều chỉnh việc sản xuất đường sữa trong sữa của hầu hết các loài động vật có vú. Ở linh trưởng, biểu hiện alpha-lactalbumin được điều chỉnh tăng để đáp ứng với hormone prolactin và làm tăng sản xuất đường sữa. Sữa do bò chuyển gen tạo ra có chứa protein alpha-lactalbumin của người (còn được gọi là LALBA), giúp tăng khả năng sản xuất đường sữa.

- Lợn:

+ Tăng sản xuất hormone tăng trưởng (HGH): Gene mMT-hGH giúp lợn tổng hợp và tiết ra hormone tăng trưởng (HGH). HGH đóng một vai trò quan trọng trong sự tăng trưởng của cơ thể, sửa chữa tế bào, và quá trình phát triển cơ bắp. Nồng độ HGH thấp có thể gây suy giảm chất lượng cuộc sống và tăng nguy cơ mắc bệnh.

+ Ứng dụng trong điều trị: Tạo ra lợn chuyển gen có thể được sử dụng để sản xuất insulin, giúp điều trị bệnh tiểu đường. Insulin là hormone quan trọng trong việc điều chỉnh đường huyết.

- Cá: Tăng khả năng chống lạnh: Gene chống lạnh ÀP được tìm thấy trong các loài cá sống ở môi trường lạnh. Khi chuyển gen này vào cá vàng và cá hồi, chúng có khả năng chống lạnh tốt hơn. Điều này giúp chúng tồn tại và phát triển tốt trong nhiệt độ thấp.

- Dê: Điều chỉnh quá trình đông máu: Antithrombin III (AT III) là một protein tự nhiên được tổng hợp tại gan. Nó có vai trò quan trọng trong việc ức chế quá trình đông máu. AT III làm bất hoạt enzyme thrombin và một số yếu tố đông máu khác, giúp duy trì sự cân bằng giữa đông máu và không đông máu. Việc chuyển gene AT III từ người vào dê giúp cải thiện khả năng ức chế đông máu của chúng.

- Gà: Chống kháng kháng sinh: Enzym beta-lactamase được mã hóa bởi vi khuẩn giúp phá vỡ các kháng sinh beta-lactam, làm bất hoạt chúng. Việc chuyển gene beta-lactamase vào phôi gà có thể giúp nghiên cứu khả năng chống kháng của chúng đối với các loại kháng sinh.

CH tr 29 CH 2

Kể thêm một số thành tựu chuyển gene ở động vật mà em biết.

Phương pháp giải:

Học sinh tự kể thêm.

Lời giải chi tiết:

Một số thành tựu chuyển gene:

- Lạc đà chuyển gen có khả năng sản xuất ra các protein dược phẩm mang trong sữa để sản xuất ra các loại thuốc trị lại những căn bệnh di truyền.

CH tr 29 LT

Tại sao việc chuyển gene vào cơ thể động vật là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học?

Phương pháp giải:

Lý thuyết thách thức của việc chuyển gene vào cơ thể động vật.

Lời giải chi tiết:

Phức tạp của hệ thống di truyền: Cơ thể động vật có hệ thống di truyền phức tạp với hàng tỷ gen và quá trình điều hòa phức tạp. Việc chuyển gene phải tương thích với các cơ chế tự nhiên của cơ thể để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn.

Khả năng tiếp xúc và thâm nhập: Để chuyển gene, cần phải đưa gen vào tế bào mục tiêu. Tuy nhiên, việc tiếp xúc và thâm nhập vào tế bào không phải lúc nào cũng dễ dàng. Cơ thể động vật có các lớp bảo vệ như niêm mạc, da, và hệ miễn dịch.

Tương tác với hệ miễn dịch: Hệ miễn dịch của động vật có thể nhận biết và phản ứng với các phân tử lạ, bao gồm cả gen chuyển. Việc tránh sự phản ứng miễn dịch là một thách thức quan trọng.

Tính ổn định của gen chuyển: Gen chuyển cần phải tồn tại và hoạt động ổn định trong cơ thể động vật. Sự mất đi hoặc biểu hiện không đúng của gen chuyển có thể gây ra hậu quả không mong muốn.

Vấn đề đạo đức và an toàn: Việc chuyển gene vào cơ thể động vật đòi hỏi sự cân nhắc đạo đức và đảm bảo an toàn cho cả con vật và môi trường.

CH tr 30 VD 1

Thu thập thông tin về ứng dụng công nghệ gene hiện nay và đánh giá triển vọng công nghệ gene trong tương lai.

Phương pháp giải:

Thu thập qua sách báo, internet,...

Lời giải chi tiết:

Hiện nay:

- Xét nghiệm gen (NGS - Next-Generation Sequencing): Kỹ thuật này cho phép giải mã hàng triệu đoạn ADN cùng lúc, nâng cao hiệu suất giải mã hệ gen người. NGS được sử dụng rộng rãi trong phân tích di truyền, từ tầm soát bệnh đến chẩn đoán và điều trị.

- Công nghệ gen trong y học cá thể hóa (Personalized Medicine): Được xem là xu hướng toàn cầu, y học cá thể hóa tập trung vào việc tùy chỉnh điều trị cho từng cá nhân dựa trên thông tin di truyền của họ.

- Y học chính xác (Precision Medicine): Sử dụng thông tin gen để tùy chỉnh điều trị, đặc biệt trong việc chọn liệu pháp và dự đoán phản ứng của bệnh nhân.

Tương lai

- Công nghệ tế bào kết hợp với chỉnh gene: Kết hợp giữa công nghệ tế bào và chỉnh gene có tiềm năng tạo ra nhiều sản phẩm mới, từ chăm sóc sức khỏe đến thương mại.

- Y học chính xác và Genomics Medicine: Y học chính xác và Genomics Medicine đang phát triển mạnh mẽ, giúp tối ưu hóa điều trị và dự phòng bệnh.

CH tr 30 VD 2

Dựa vào các nguyên lí của công nghệ gene, hãy thiết kế một quy trình để tạo giống thực vật hoặc động vật chuyển gene mang một đặc tính có lợi. Phân tích giá trị của sản phẩm đó đối với đời sống con người.

Phương pháp giải:

Dựa vào các nguyên lí của công nghệ gene

Lời giải chi tiết:

Quy trình:

- Chọn Đặc Tính Có Lợi: Đầu tiên, chúng ta cần xác định một đặc tính cụ thể mà chúng ta muốn tạo ra trong thực vật hoặc động vật. Ví dụ:

+ Thực Vật: Kháng hạn hán trong cây trồng.

+ Động Vật: Tăng sản xuất sữa trong bò sữa.

+ Thực Vật: Kháng bệnh trong cây ăn trái.

- Chọn Kỹ Thuật Chuyển Gene: Chọn một kỹ thuật chuyển gene phù hợp:

+ CRISPR-Cas9 cho chỉnh sửa gen chính xác.

+ Công nghệ transgenic để đưa gen từ một loài vào loài khác.

+ RNA interference (RNAi) để tắt gen.

- Thu Thập Hoặc Thiết Kế Vật Liệu Gen: Thu thập hoặc thiết kế chuỗi DNA mang đặc tính mong muốn. Đây có thể là gen từ một loài khác hoặc phiên bản sửa đổi của gen hiện có.

- Chuyển Gene Vào Thực Vật Hoặc Động Vật:

Đối với thực vật:

+ Sử dụng phương pháp Agrobacterium-mediated transformation hoặc biolistic gene delivery để đưa gen vào tế bào cây.

+ Tạo ra cây hoàn chỉnh từ tế bào đã chuyển gen.

Đối với động vật:

+ Sử dụng tiêm gen vào phôi hoặc CRISPR-Cas9 để đưa gen vào trứng đã được thụ tinh.

+ Cho phôi phát triển và tạo ra động vật chuyển gen.

Lựa Chọn Và Làm Giống Các Loài Đã Chuyển Gen: Lựa chọn thực vật hoặc động vật có khả năng biểu hiện đặc tính có lợi.

Phân tích giá trị sản phẩm:

- Động vật và Thực vật: Công nghệ chuyển gene đóng góp quan trọng cho nghiên cứu di truyền và phát triển liệu pháp gen. Nó giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của gen và cách điều trị các bệnh di truyền.

- Giá trị kinh tế:

+ Động vật: Động vật chuyển gen có thể tạo ra sản phẩm giá trị cao như sữa, thịt, và lông. Điều này có lợi cho ngành chăn nuôi và kinh tế.

+ Thực vật: Thực vật chuyển gen có thể tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Điều này giúp cải thiện kinh tế nông nghiệp và cung cấp thực phẩm cho thị trường.

- Giá trị nông nghiệp:

+ Động vật: Động vật chuyển gen có thể tăng năng suất, kháng bệnh, và giảm sử dụng thuốc kháng sinh. Điều này có lợi cho ngành chăn nuôi và môi trường.

+ Thực vật: Thực vật chuyển gen có thể tăng năng suất, chống sâu bệnh, và giảm sử dụng hóa chất nông nghiệp. Điều này giúp bảo vệ môi trường và cung cấp thực phẩm cho dân số đông đúc.