Tài liệu Giáo trình công nghệ sinh học đại cương

ĐẠI H Ọ C THÁI NGUYỀN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM Đ Ô N Ă N G V Ị N H (Chủ biên) - N G Ô XUÂN B Ì N H NHÀ XUẤT B Ả N N Ô N G N G H I Ệ P ĐẠI H Ọ C THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NỒNG LÂM Đ Ỗ N Ă N G V Ị N H (Chủ biên) NGÔ XUÂN BÌNH G C Ô N G I N Đ A Á G I O H T R Ệ C S Ư NHÀ XUẤT BẢN NÔNG H À N Ộ I - 2008 Ì N I Ơ H N N H H G NGHIỆP Ọ C M Ở Công tiên phát nghệ thông tin và công nghệ sinh học (CNSH) triển ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. N hiều to lớn của CNSH CNSH ĐẦU là hai lĩnh vực công nghệ học giả đã dự báo sức đối với cải tạo sinh giới, trong đó có bản thân con người. ưu mạnh Vai trò của đối với phát triển kinh tế và y học, đối với an sinh xã hội và hệ sinh thái trên trái đất đang ngày càng mạnh trình sống. N hiều lên cùng với sự tích lũy nh anh của tri thức về các ch óng quá câu hỏi lớn liên quan đến phát triển công nghệ sinh học đang đặt ra: Ì. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ sinh học? 2. Công nghệ sinh học là gì? Công nghệ sinh học bao gồm những học và công nghệ nào? ngành 3. Quan hệ giữa CNSH 4. Các kiến thức cơ bản của 5. Vai trò khám phá bản chất sự sống và khả năng cải tạo sinh giới của 6. Vai trò của công nghệ sinh học đối với phát triển kinh tế- xã hội và ngược lại vai trò của kinh tế- xã hội và chính sách quốc gia dối với phát triển CNSH? 7. Hiện trạng và dự báo phát triển công nghệ sinh học trên thế giới và ỏ nước 8. Định hướng phát triển công nghệ sinh học ở nước với các ngành khoa học tự nhiên, khoa học xã hội công nghệ sinh khoa khác? học? CNSH? ta? ta? Một trong các nhiệm vụ của quyển sách này là đặt ra những câu hỏi, đồng thời cùng sinh viên và người đọc tìm ra câu trả lời các câu hỏi mang tính tổng quát Hiện nay, nền kinh tế toàn cẩu đang trải qua những thách sự phát triển nóng của các nền kinh tế, nhất là ở Trung nước Đông Nam Á trong đó có Việt Nam, lượng. Khả năng suy kiệt các nguồn 30 năm tới. Các quốc trên. thức ngày càng lớn. Đố là Quốc, An Độ, Brasiỉ, Nga vá các đòi hỏi sự gia tăng khai thác và sử dụng than đá, dầu mỏ, khí đốt là nhãn tiền trong gia đông dân như Trung Quốc, năng khoảng An Độ, Nga đang dần trở thành các nên kinh tế lớn với mức tiêu dùng năng lượng và sản xuất khí thải nhà kính tương tự như Mỹ hiện nay. Tình hình đó có thể đẩy nhanh và quá trình khủng môi trường toàn cầu, có thể dẫn đến chiến tranh vì những khoảng các nguồn năng lượng. tồn tại? Phát Vấn đề môi trường triển hay không phát triển? triển nào được xem là bền vững trên phạm CNSH đến đâu trong giải quyết các vấn đê Định hướng rất nhiêu và xu thế phát sinh thái trở thành Phát triển phải khoảng không năng lượng gian sinh tồn và vấn đề tồn tại hay như thế nào? Giải pháp vi toàn cẩu và cho từng quốc gia? Vai trò không phát của trên? triển của công nghệ sinh học trong vào việc trả lời cho các câu hỏi trên tương lai phụ thuộc đây. 3 Vai trò của CNSH trong giải quyết các vấn dề an sinh xã hội, vấn đề năng lượng tái sinh và sinh thái bền vững là rất to lớn. Các nhà khoa học trẻ và sinh viên trong lĩnh sinh học - nông nghiệp, bên cạnh việc phải có những kiến thức chuyên môn sâu, phải tầm nhìn rộng lớn hơn, bao quát hơn và định hướng tốt hơn trong hoạt động thực Cuốn "Công nghệ sinh học đại cương" kiến thức cơ bản về CN SH nhằm góp phần và vai trò của CNSH Giáo trình được phản công viết như từ ỉ đến Ngô Xuân Bình - tham gia viết các chương lo và l i . nghệ sinh học là một lĩnh mới hàng ngày nên quyển hoàn thiện. Chúng vực khoa sách này khó tránh tôi xin trân trọng cảm số mới. lo. học rộng khỏi lớn, đang phát có thiếu sót, mong ơn. Nhóm tác giả 4 các sau: Đỗ Năng Vịnh - Chủ biên, viết các chương Vì công cung cấp cho học viên trong giai đoạn có tiễn. đối với thực tiễn, đồng thời gợi ý một các định hướng và giải pháp phát triển của CNSH vực triển và bạn đọc góp đổi ý Chương Ì KHÁI NIỆM, LỊCH s ử VÀ BIỆN CHÚNG PHÁT TRIỂN CÔNG N G H Ệ SINH CỦA H Ọ C 1.1. K H Á I N I Ệ M C Ô N G N G H Ệ S I N H H Ọ C V À Q U A N H Ệ C Ủ A C Ô N G N G H Ệ S I N H H Ọ C V Ớ I C Á C N G À N H K H O A H Ọ C T ự N H I Ê N VÀ XÃ H Ộ I K H Á C C ô n g n g h ệ sinh học (CNSH) là tập hợp c á c n g à n h khoa học - c ô n g n g h ệ v ề sự sống, bao g ồ m sinh học p h â n tử, k ỹ thuật gen, c ô n g n g h ệ t ế b à o , c ô n g n g h ệ v i sinh, c ô n g n g h ệ protein và enzym..., n g h i ê n cứu và khai t h á c c á c q u á trình sinh học, hoạt đ ộ n g sống của v i sinh vật, t ế b à o đ ộ n g v à thực vật, c ơ t h ể sống và m ô phỏng c á c q u á trình sinh học ở quy m ô sản x u ấ t c ô n g nghiệp. H i ệ n nay C N S H bao g ồ m c á c l o ạ i c ô n g n g h ệ và k ỹ thuật chủ lực n h ư c ô n g n g h ệ gen, c ô n g nghệ v i sinh vật, c ô n g n g h ệ t ế b à o , c ô n g n g h ệ enzym, sinh học p h â n tử, sinh hoa học, lý sinh học, đ i ề u k h i ể n học, sinh t i n học, genom học (genomics), protein học (proteomics), nano sinh học... T u y v ậ y , C N S H k h ô n g chỉ đ ơ n thuần là khoa học sinh học, n ó là sự k ế t hợp giữa c á c n g u y ê n lý sinh học v ớ i c ô n g n g h i ệ p sinh học. CNSH là sự k ế t hợp giữa c á c n g u y ê n lý khoa học và c ô n g n g h ệ trong m ộ t h ệ thống trong đ ó c á c c ơ t h ể sống, m ô hoặc t ế b à o , c ơ quan tử, c á c p h â n t ử hoặc q u á trình sống được khai t h á c sử d ụ n g v à o sản x u ấ t ở quy m ô c ô n g nghiệp. M ỗ i t ổ hợp sản x u ấ t C N S H bao g ồ m trong n ó c á c y ế u t ố k h á c nhau: - C á c n g u y ê n lý khoa học và c ô n g nghệ. - H ệ thống c á c t h i ế t bị hoặc d â y c h u y ề n c ô n g n g h ệ ( c á c t h i ế t bị n g h i ê n cứu khoa học và k i ể m soát chất lượng, c á c thiết bị sản x u ấ t n h ư c á c bioreactor, h ệ t h ố n g lên men vi sinh vật, h ệ đ i ề u k h i ể n tự đ ộ n g ) . - Các h ệ thống sống ở c á c mức đ ộ t ổ chức k h á c nhau t ừ p h â n tử, c ấ u trúc trên p h â n tử, t ế b à o quan, t ế b à o , m ô , c ơ quan, c ơ t h ể sống, quần thể.... - Các q u á t r ì n h c h u y ể n đ ổ i vật chất và n ă n g lượng n h ằ m tạo ra c á c sản p h ẩ m mong m u ố n (ví dụ," sản x u ấ t c á c chất hoạt tính sinh học n h ư h o r m o n sinh trưởng, interĩeron, k h á n g sinh, insulin) trên quy m ô c ô n g nghiệp. Sự ra đ ờ i và p h á t t r i ể n của C N S H c ó quan h ệ chặt c h ẽ v ớ i sự p h á t t r i ể n của n h i ề u n g à n h khoa học và c ô n g nghệ k h á c nhau. C á c m ố i quan h ệ đ ó được t h ể h i ệ n ở c á c s ơ đ ồ 1.1 và 1.2. 5 Tích lũy tri thức toán học.vật lý, hoa học, các khoa học về trái đất, về không gian... Cuộc cách mạng công nghiệp lần 1,2 và 3: Công nghiệp điện tử, chế tạo máy, thông tin, tin học, vật liệu... Công nghệ sinh học Công nghiệp sinh học Sơ đồ LI. Dự báo Tích tụ tri thức và phương tiện nghiên cứu khoa học sinh học và khoa học tự nhiên khác Cuộc cách mạng công nghiệp sinh học the kỷ XXI Công nghệ sinh học ra đời và phát triển như một tất yếu lịch sử Quan h ệ giữa c á c n g à n h khoa học t h ể h i ệ n quan h ệ b i ệ n chứng giữa c á c h ì n h thức v ậ n đ ộ n g k h á c nhau của v ậ t chất v à quan h ệ giữa v ậ n đ ộ n g x ã h ộ i v à p h á t t r i ể n khoa học c ô n g nghệ. H i ể u b i ế t được c á c m ố i quan h ệ logic đ ó , c h ú n g ta m ớ i c ó c ă n cứ đ ể t ổ chức h ệ thống khoa học và x â y dựng c á c c h ư ơ n g t r ì n h n g h i ê n cứu p h á t t r i ể n p h ù h ợ p . V ậ n đ ộ n g sinh học là t ổ n g hoa của n h i ề u h ì n h thức v ậ n đ ộ n g k h á c nhau của v ậ t chất và là k ế t q u ả của v ậ n đ ộ n g v ậ t lý, hoa học, v ậ n đ ộ n g v ũ trụ n ó i c h u n g . K h i l o à i n g ư ờ i c ó k h ả n ă n g thao t á c d i t r u y ề n ở mức p h â n t ử và trở t h à n h " đ ấ n g s á n g t ạ o m ớ i " trong sinh g i ớ i thì v ậ n đ ộ n g sinh học c ò n x ả y ra trong m ố i quan h ệ n g à y c à n g chặt c h ẽ v ớ i v ậ n động xã h ộ i . V ì t í n h chất phức tạp của v ậ n đ ộ n g sinh học, n ê n C N S H c h ỉ c ó t h ể h ì n h t h à n h và p h á t t r i ể n k h i c á c n g à n h khoa học k h á c đ ã đ ạ t đ ế n q u á t r ì n h t í c h l ũ y t r i thức v à p h ư ơ n g t i ệ n ở mức " t ớ i hạn" n à o đ ó . C N S H n g à y nay đ a n g đ ứ n g t r ê n n ề n tảng của c á c khoa h ọ c t ự n h i ê n k h á c nhau và t h à n h tựu của c á c cuộc c á c h m ạ n g c ô n g n g h i ệ p . D o v ậ y , m ộ t n h à C N S H chắc chắn p h ả i c ó t r i thức khoa học t ự n h i ê n v à k i ế n thức c ô n g nghệ. M ộ t quốc gia m u ố n p h á t t r i ể n c ô n g n g h i ệ p C N S H v ữ n g chắc p h ả i k ế t hợp được sự p h á t t r i ể n c á c khoa học sinh học v ớ i c ô n g n g h ệ t i n học, đ i ệ n tử, v ậ t l i ệ u m ớ i v à phải c ó t ầ m n h ì n t o à n c ầ u v à t ầ m n h ì n quốc gia v ề k i n h t ế , sinh t h á i v à m ô i t r ư ờ n g . 1.2. CÁC NGÀNH KHOA HỌC VỀ sự SỐNG VÀ Mối QUAN HỆ BIỆN CHÚNG M ố i quan h ệ giữa c á c khoa học v ề sự sống v à c á c n g à n h khoa học t ự n h i ê n k h á c v ớ i C N S H được m ô tả v ắ n tắt trên sớ*đồ 1.2. Sơ đ ồ n à y c ũ n g t h ể h i ệ n quan h ệ giữa t r i ế t học c á c khoa học x ã h ộ i n h ư c h í n h trị, lịch sử, k i n h t ế v ớ i khoa học c ô n g n g h ệ n ó i chung v à v ớ i C N S H n ó i r i ê n g . T r ê n sơ đ ồ n à y , n g à n h khoa học được p h â n t h à n h 3 l o ạ i h ì n h hay 3 thang bậc k h á c nhau trong m ố i quan h ệ v ớ i thực t i ễ n : - C á c n g à n h khoa học c ơ bản; 6 - C á c n g à n h khoa học c ô n g nghệ: là sản p h ẩ m của khoa học c ơ bản k ế t hợp v ớ i c ô n g n g h i ệ p và k i n h t ế ; - C á c n g à n h khoa học ứng dụng: là sản p h ẩ m của 2 n g à n h t r ê n , n ó chỉ ra l ĩ n h vực đ ờ i sống m à trong đ ó c á c n g à n h khoa học và c ô n g n g h ệ được ứng d ụ n g . Công nghệ sinh học Các ngành khoa học về sự sống Các ngành khoa học cơ bản Các ngành khoa học - công nghệ CNSH úng dụng Di truyền học Kỹ thuật di truyền 1. CNSH y học: - Công nghệ vacxin và chế phẩm dược 2. CNSH nong nghiệp: - Công nghệ vi nhân giống thực vật - Công nghệ nhân bản động vật - Công nghệ tạo giống mới 3. CNSH môi trưòng-sinh thái và năng lượng tái sinh Sinh phân tử Sinh hoa học Sinh lý học Toán sinh học Điều khiển học sinh học Genom học Protein học Tế bào học Mô phôi học Sinh thái học Bệnh học Miễn dịch học Công nghệ tế bào Công nghệ erưym và protein Công nghệ vi sinh Công nghệ lên men Công nghệ vacxin và chế phẩm dược Các ngành khoa học công nghệ ^ Ị Ị Sơ đồ 1.2. Quan hệ biện chứng giữa các ngành Khoa học Công nghệ Công nghệ điện tử Công nghệ lazer Năng lượng nguyên tử Công nghệ vật liệu Tự động hoa Công nghệ chế tạo máy Các ngành khoa học tự nhiên khác Các ngành khoa học cơ bản - Toán học - Vật lý học - Hoa học - Tin học - Thiên văn học - Các ngành khoa học về trái đất. Công nghệ thông tin Công nghệ nano khoa học công nghệ Ì TRIÊT HỌC KINH TẾ HỌC KHOA HỌC CHÍNH TRỊ VÀ LỊCH s ử ũ - Thế giói quan: Quan hệ giữa vặt chất và tinh thần, vật chất và vận động, vật chất và năng lượng, tinh thần là một thuộc tính của vật chất có tổ chức cao. Luận về con người như một sản phẩm của tự nhiên và dự báo vai trò của CNSH đối với tiến hoa của chính con người. - Phép biện chứng: Các quy luật phổ biến của vận động vật chất.vận động xã hội và tư duy. Tổng hoa các mối quan hệ tương" tác giữa các sự vật và hiện tượng trong vũ trụ. Vận động sinh học và vận động vũ trụ. - Nhận thức luận: Các phương pháp nhận thức cơ bản. Thực nghiệm khoa học và thực tiễn khách quan là tiêu chuẩn của chân lý. Vai trò của khoa học trong việc phát hiện các quy luật vận động, từ đó giải thích và dự báo phát triển CNSH trên nền dữ liệu hiện có. Quan điểm hệ thống trong xem xét sự vật. - Các quy luật phát triển xã hội, quan hệ giữa người với nguôi và xã hội loài người với thiên nhiên. - Quan hệ giữa chế độ xã hội, tính tiền phong của chế độ xã hội và phát triển khoa học công nghệ. Luật pháp và chính sách phát triển tiên tiến quyết định thành tựu phát triển KHCN và giáo dục ỏ các quốc gia. - Tác động của khoa học công nghệ lên con người: Phương tiện sản xuất và phương tiện sống - môi trường sống - năng suất lao động - các phương tiện nhận thức của con người. CNSH và tác động của nó lên bản thân con người: tiềm năng trí tuệ và khả năng sáng tạo, sức khoe, tuổi thọ... - Vai trò quyết định của KHCN đối với việc giải quyết các vấn đề phát triển kinh tế-xã hội. - Quan điểm lịch sử trong nhận thức luận khoa học. - Quan hệ giữa kinh tế và khoa học công nghệ. - Đòn bẩy kinh tế đối với phát triển khoa học công nghệ. - Đòn bẩy khoa học công nghệ đối với phát triển kinh tế. - Dự báo kinh tế, thị trường, dự báo tương lai quy định định hướng phát triển KHCN ở các quốc gia. Dự báo thị trường Nông nghiệp-Y dược, dự báo môi trường sinh thái quy định định hướng nghiên cứu CNSH. - Dự báo vai trò quyết định của CNSH đoi với phát triển nông- lâm ngư nghiệp - y dược và môi trường sinh thái. Chính sách quốc gia về phát triển CNSH. 1.2.1. C á c n g à n h k h o a học c ơ b ả n v ề sự sống - Di truyền học Sinh hoa học - Sinh học p h â n tử Bệnh học - T ế b à o học Phỏng sinh học - M ô p h ô i học Đ i ề u k h i ể n học sinh học - Sinh lý học T o á n sinh học - M i ễ n dịch học và c á c khoa học k h á c G e n o m học - Sinh thái học Protein học - D i t r u y ề n học lý thuyết Nano sinh học Vv... C á c n g à n h khoa học c ơ bản v ề sự sống m ớ i nhất h i ệ n nay c ó t h ể n ó i là genom học (genomics) bao g ồ m c ấ u trúc, t ổ chức và chức n ă n g của t ừ n g gen, n h ó m gen, h ệ t h ố n g 8 gen, c á c h ệ đ i ề u h à n h gen. R i ê n g genom n g ư ờ i c ó chứa đ ế n k h o ả n g 30.000 gen k h á c nhau, m ỗ i gen l ạ i c ó c á c h ệ đ i ề u h à n h phức tạp và n h i ề u c h i ề u . M ỗ i gen l ạ i chứa trong n ó h à n g t r ă m đ ế n h à n g n g h ì n c á c nucleotid v ớ i c á c t r ì n h tự đặc t h ù . M ỗ i gen và n h ó m gen l ạ i k è m theo n ó h ệ đ i ề u k h i ể n phức tạp trong m ố i quan h ệ v ớ i c á c giai đ o ạ n phát t r i ể n k h á c nhau của t ế b à o , của cá t h ể và m ô i trường sống. D o t í n h phức tạp n h ư v ậ y n ê n genomics chắc chắn sẽ p h ả i trở t h à n h m ộ t khoa học đ ộ c l ậ p . T ư ơ n g t ự n h ư v ậ y sẽ là protein học, t o á n sinh học, đ i ề u k h i ể n học sinh học và nano sinh học... sẽ d ầ n trở t h à n h c á c n g à n h học c h u y ê n sâu. 1.2.2. C á c n g à n h k h o a h ọ c c ô n g n g h ệ v ề s ự s ố n g - C ô n g n g h ệ s i n h h ọ c Sự p h á t t r i ể n của c á c khoa n g à n h Khoa học - Công học cơ bản v ề sự sống đ ã và sẽ d ẫ n đ ế n sự ra đ ờ i của c á c nghệ của C N S H , trong đ ó bao g ồ m : - K ỹ nghệ d i t r u y ề n (genetic engineering). - C ô n g nghệ t ế b à o (cell biotechnology). - C ô n g n g h ệ enzym và protein (protein and enzym technology). - C ô n g n g h ệ v i sinh (microbiotechnology). - C ô n g n g h ệ l ê n men ( í e r m e n t a t i o n technology). - C ô n g n g h ệ vacxin và c h ế p h ẩ m dược (vacxin and biopharmaceutical technology) và c á c khoa học c ô n g n g h ệ k h á c . 1.2.3. C á c n g à n h c ô n g n g h ệ s i n h học ứ n g d ụ n g Sự p h á t t r i ể n của c á c khoa học - c ô n g nghệ sinh học sẽ tạo ra sự b ù n g n ổ của c á c lĩnh vực k h á c nhau của khoa học CNSH ứng dụng, bao g ồ m : - CNSH y học: c ô n g n g h ệ vacxin và c h ế p h ẩ m dược, l i ệ u p h á p gen,... - C N S H N ô n g L â m N g ư n g h i ệ p : c ô n g n g h ệ v i n h â n g i ố n g thực v ậ t , c ô n g n g h ệ n h â n bản đ ộ n g v ậ t , C N S H tạo g i ố n g m ớ i , C N S H bảo v ệ sức khoe v à d i n h d ư ỡ n g c â y trồng, vật n u ô i . - CNSH M ô i trường - Sinh thái - CNSH và n ă n g lượng sinh học - CNSH và v ậ t l i ệ u m ớ i 1.2.4. C á c n g à n h k h o a học c ô n g n g h ệ t ự n h i ê n Sự p h á t t r i ể n của c á c n g à n h khoa học tự n h i ê n n h ư t o á n học, v ậ t lý học, hoa học, tin học, t h i ê n v ă n học và c á c n g à n h khoa học v ề trái đ ấ t đ ã tạo ra h à n g loạt c á c n g à n h Khoa học - C ô n g n g h ệ ( K H C N ) tự n h i ê n như: - C ô n g nghệ c h ế tạo m á y - C ô n g n g h ệ đ i ệ n tử - C ô n g n g h ệ lazer 9 - N ă n g lượng n g u y ê n tử - C ô n g n g h ệ vật l i ệ u - T ự đ ộ n g hoa - C ô n g nghệ t h ô n g t i n - C ô n g nghệ nano và n h i ề u n g à n h k h á c C á c n g à n h K H C N n à y đ ã tạo ra c á c cuộc c á c h m ạ n g c ô n g n g h i ệ p , l à m b i ế n đ ổ i t ậ n gốc c á c p h ư ơ n g t i ệ n sản xuất và p h ư ơ n g t i ệ n nhận thức của loài n g ư ờ i , c ũ n g n h ư l à m thay đ ổ i toàn bộ đ ờ i sống x ã h ộ i . C h ú n g tạo ra những c ô n g cụ k h ô n g t h ể t h i ế u đ ố i v ớ i sự p h á t t r i ể n của c á c n g à n h khoa học v ề sự sống và tạo t i ề n đ ề cho sự ra đ ờ i của C N S H ở c u ố i t h ế k ỷ thứ X X . D o v ậ y , m u ố n p h á t t r i ể n C N S H p h ả i h i ể u rõ n ề n tảng, c á c bước đ i lịch sử k h ô n g t h ể t h i ế u được, xu h ư ớ n g p h á t t r i ể n của CNSH trong m ố i quan h ệ b i ệ n chứng v ớ i k i n h t ế x ã h ộ i . C ô n g nghệ sinh học là q u á trình tổng hợp và c h u y ể n hoa c á c t r i thức v à k ỹ thuật về sự sống t h à n h c ô n g nghiệp sinh học. Công nghiệp sinh học là q u á t r ì n h sản x u ấ t h à n g loạt, quy m ô l ớ n c á c sản p h ẩ m sinh học bao g ồ m c á c hoạt chất sinh học, v ậ t l i ệ u sinh học, sinh k h ố i t ế b à o đ ộ n g , thực vật và v i sinh vật ( c ô n g n g h i ệ p lên men), c á c c h ế p h ẩ m sinh học ( k h á n g sinh, c á c enzym, protein, peptid hoạt t í n h n h ư i n t e r í e r o n , i n s u l i n , hormon sinh trưởng v.v...), c á c vacxin và thuốc chữa bệnh và c á c c ơ t h ể sống ( h à n g t r â m t r i ệ u cây trồng, vật n u ô i ) . Phải nói t h ê m rằng sự p h á t t r i ể n của K H C N n ó i chung và C N S H n ó i r i ê n g k h ô n g t h ể t á c h r ờ i sự p h á t t r i ể n của tư tưởng triết học và c h í n h trị. N g à y nay k h ô n g m ộ t khoa học gia c h â n c h í n h n à o c ó t h ể đứng n g o à i k i n h t ế , c h í n h trị v à lịch sử p h á t t r i ể n của q u ố c gia. Khoa học - C ô n g nghệ đã, đ a n g và sẽ là đ ò n b ẩ y vĩ đ ạ i nhất đ ố i v ớ i v ă n m i n h n h â n l o ạ i và t i ế n b ộ của m ỗ i d â n tộc. K h o a học - C ô n g nghệ c ò n là g i ả i p h á p duy n h ấ t đ ể cứu v ã n n h â n l o ạ i đ a n g rơi v à o cuộc khủng khoảng m ô i trường sinh t h á i v à n ă n g l ư ợ n g . M ặ t k h á c , sự p h á t t r i ể n của m ỗ i m ộ t n g à n h khoa học c ô n g n g h ệ m ớ i đ ề u c ầ n đ ế n n h ữ n g quyết s á c h mạnh m ẽ v ớ i t ầ m n h ì n rộng l ớ n của c á c l ã n h tụ quốc gia. Sự trì trệ trong p h á t t r i ể n khoa học - c ô n g nghệ và g i á o dục của m ộ t d â n tộc trước hết thuộc v ề t r á c h n h i ệ m của lãnh đ ạ o cao nhất của quốc gia đ ó . T ổ chức h ệ thống, những c ơ chế, c h í n h s á c h quản lý khoa học, c ô n g n g h ệ của nước ta h i ệ n nay h ế t sức lạc hậu, t h i ế u c ă n cứ khoa học và t ầ m n h ì n c h i ế n lược. Đ ó là n g u y ê n n h â n quan t r ọ n g l à m khoa học nước n h à đ a n g bị h ẫ n g hụt, t h i ế u tính k ế thừa, t í n h lịch sử trong sự p h á t t r i ể n đi lên. N ó đ a n g bị t h i ế u hụt tính h ệ thống, tính n ă n g đ ộ n g , t í n h mục tiêu v à đ ị n h h ư ớ n g c h i ế n lược. Nước ta và hầu hết c á c nước đ a n g p h á t t r i ể n h i ệ n nay ở c h â u Á , c h â u Phi và M ỹ L a tinh đ ề u n g h è o n à n , lạc h ậ u do đ ã đi sau m ộ t l ầ n trong cuộc c á c h m ạ n g c ô n g n g h i ệ p l ầ n thứ nhất và l ầ n thứ hai. D o v ậ y , c h ú n g ta p h ả i tranh t h ủ c ơ h ộ i đ ể k h ô n g tụt h ậ u trong cuộc c á c h mạng c ô n g nghiệp sinh học l ầ n n à y . 10 1.3. L Ị C H SỬ C Ô N G N G H Ệ S I N H H Ọ C VÀ V Ấ N Đ Ể B Ả N C H Ấ T C Ủ A s ự S Ố N G 1.3.1. T ó m t ắ t c á c g i a i đ o ạ n p h á t t r i ể n c ủ a c ô n g n g h ệ s i n h h ọ c v à c á c s ả n c h í n h của phẩm CNSH a) C N S H đ ã h ì n h t h à n h và ứng d ụ n g trước k h i c ó k h á i n i ệ m C N S H T ừ t h ờ i xa x ư a , con n g ư ờ i đ ã biết: - Sản x u ấ t r ư ợ u , bia, c á c c h ế p h ẩ m sữa, m ộ t số l o ạ i nước g i ả i k h á t . - Sản x u ấ t c á c axit và dung m ô i h ữ u cơ. - C ô n g n g h i ệ p k h á n g sinh v ớ i c á c n ồ i lên men h à n g t r ă m n g à n lít. b) G i a i đ o ạ n t ừ 1 9 6 0 - 1975 - C ô n g n g h ệ t ế b à o thực vật (nuôi cấy m ô ) bắt đ ầ u sản x u ấ t h à n g t r i ệ u c ấ y g i ố n g sạch bệnh trong đ i ề u k i ệ n n h â n tạo. - Sản x u ấ t axit amin, axit glutamic, c á c enzym, k h á n g sinh bằng c ô n g n g h i ệ p l ê n men sinh k h ố i k h ổ n g l ồ . Sản x u ấ t c á c chất b ổ sung dinh d ư ỡ n g cho n g ư ờ i , c h ă n n u ô i , n g u y ê n l i ệ u c ô n g n g h i ệ p dược và chất t ẩ y rửa. c) G i a i đ o ạ n t ừ sau 1975 - H ì n h t h à n h k ỹ thuật A D N tái tổ hợp, k h á i n i ệ m C N S H và c ô n g n g h i ệ p sinh học trở nên phổ biến. - Thuốc chữa b ệ n h và p h ò n g bệnh cho n g u ô i và gia s ú c : insulin, i n t e r í e r o n , vacxin... tạo ra n h ờ c á c k ỹ thuật tái t ổ hợp A D N và c h u y ể n gen - C á c chất đ i ề u t i ế t sinh trưởng, p h á t t r i ể n và sinh sản c â y trồng, v ậ t n u ô i đặc b i ệ t là hormon sinh t r ư ở n g và c á c chất hoạt tính sinh học k h á c . - C á c b ộ kít và p h ư ơ n g p h á p chẩn đ o á n bệnh. - C ấ y t r u y ề n hợp tử và c á c k ỹ thuật n h â n giống và n h â n bản đ ộ n g vật. - Chất b ổ sung thức ă n gia s ú c : vitamin, axit amin, sinh k h ố i t ế b à o , n ấ m men. - N h â n g i ố n g c â y sạch bệnh quy m ô l ớ n . 1.3.2. N h ữ n g p h á t m i n h c ă n b ả n c ủ a n h â n l o ạ i t r o n g l ĩ n h v ự c s i n h h ọ c d ẫ n đ ế n sự ra đ ờ i của 1.3.2.1. CNSH Phát minh ra tê bào, quá trình phân bào và phân hoa cơ quan - N ă m 1665 Robert Hooke quan sát thấy t ế b à o sống d ư ớ i k í n h h i ể n v i v à đ ư a ra khái niệm tê bào "Cell". - Anton Van Leuvven Hoek (1632-1723), thiết k ế kính h i ể n v i khuếch đ ạ i được 270 l ầ n , lần đ ầ u tiên quan sát thấy v i khuẩn, t ế b à o tinh trùng trong tinh dịch n g ư ờ i và động vật. - Matthias Schleiden và Theodore Schvvann đ ề x ư ớ n g học thuyết c ơ bản của sinh học g ọ i là Học thuyết tế bào năm 1838: li + M ọ i c ơ t h ể sống được c ấ u tạo b ở i m ộ t hoặc n h i ề u t ế b à o . + T ế b à o là đ ơ n vị c ấ u t r ú c và chức n ă n g c ơ bản của c ơ t h ể sống, là h ì n h thức n h ỏ nhất của sự sống. + T ế b à o chỉ được tạo ra từ t ế b à o t ồ n t ạ i trước đ ó . - Oscar H e r t w i g (1875) chứng m i n h bằng quan sát trên k í n h h i ể n v i r ằ n g sự t h ụ thai là do sự hợp nhất của n h â n tinh t r ù n g và n h â n trứng. - Hermann p, Schneider F. A . và Butschli o . đ ã m ô tả c h í n h x á c q u á t r ì n h p h â n chia t ế b à o , n ă m 1883, W i l h e l m Roux l ầ n đ ầ u tiên đ ã lý g i ả i v ề sự g i ả m p h â n trong p h â n b à o g i ả m n h i ễ m ở c ơ quan sinh dục. 1.3.2.2. Phát minh sự phát triển của cơ thể sống là kết quả của sự phân hoa của tê bào C u ố i t h ế k ỷ X V I I và đ ầ u t h ế k ỷ X V I I I , n g ư ờ i ta nghĩ r ằ n g trong t i n h t r ù n g đ ã chứa đựng toàn b ộ n g ư ờ i trưởng t h à n h d ư ớ i dạng thu n h ỏ . Sự p h á t t r i ể n được coi n h ư sự p h ó n g đ ạ i đ ơ n g i ả n cua h ì n h n h â n . C á c h h ì n h t h à n h c á c con vật t ừ p h ô i t r ở t h à n h đ ố i tượng tranh l u ậ n khoa học trong suốt t h ế k ỷ X V I I I cho đ ế n c u ố i t h ế k ỷ X I X . C ó hai t r ư ờ n g p h á i đ ố i l ậ p nhau: Đ ố i v ớ i những n g ư ờ i theo thuyết t i ề n tạo, con vật m ớ i h ì n h t h à n h h o à n t o à n v ớ i đ ầ y đ ủ c á c c ơ qụan đ ã c ó m ặ t ở dạng thu n h ỏ trong trứng (hoặc trong t i n h t r ù n g ) , đ ố i v ớ i những n g ư ờ i ủng h ộ thuyết "vi động vật" (khoảng t h ờ i k ỳ 1651 - 1700). N h à T ự n h i ê n học T h ụ y Sĩ Charles Bonnet (1720 - 1793) quan sát được h i ệ n tượng t r i n h sản ở con r ệ p (trong t h í n g h i ệ m , m ộ t con rệp cái được c ô l ậ p m ộ t c á c h c ẩ n t h ậ n sinh ra 95 r ệ p con m à k h ô n g cần rệp đực), từ đ ó n g ư ờ i ta k ế t l u ậ n rằng những con v ậ t m ớ i đ ã t ồ n t ạ i h o à n chỉnh trong trứng của con vật c á i . Đ ố i v ớ i những n g ư ờ i theo thuyết biểu sinh: trứng ban đ ầ u k h ô n g c ó m ộ t d ấ u v ế t t ổ chức n à o và p h ô i được h ì n h t h à n h d ầ n d ầ n bằng q u á t r ì n h x â y d ự n g c ó sự đ ó n g g ó p "giống" của cả cha và m ẹ . N h ữ n g n g ư ờ i theo thuyết b i ể u sinh n h ư B u f f o n v à Maupertuis lưu ý rằng cả cha và m ẹ đ ề u g ó p phần h ì n h t h à n h con v ậ t m ớ i (sự quan sát con la chứng tỏ đ i ề u đ ó ) . Phát triển phôi và phân hoa tế bào trở thành một khoa học trong đ ó t r ì n h t ự hoạt đ ộ n g của t h ô n g t i n d i t r u y ề n và đ i ề u k h i ể n hoạt hoa của gen trong q u á t r ì n h p h á t t r i ể n c á thể c ó ý nghĩa quan trọng. Khoa học v ề đ i ề u k h i ể n học sinh học ra đ ờ i sau n à y p h á t t r i ể n song song v ớ i c á c t h à n h tựu v ề h ệ đ i ề u h à n h hoạt hoa của gen. 1.3.2.3. Phát minh quá trình tiến hoa của sinh giới và vật liệu mang thông tín di truyền N ă m 1859, Charles D a r w i n - Cha đ ẻ của học thuyết t i ế n h ó a trong sinh học - đ ã x u ấ t bản cuốn " N g u ồ n gốc của c á c loài tạo ra b ở i chọn lọc tự n h i ê n " . Trong đ ó l ầ n đ ầ u t i ê n đưa ra quan đ i ể m lịch sử của p h á t t r i ể n sinh g i ớ i và lý g i ả i sự t i ế n hoa của c á c loài: - Sự t i ế n h ó a trong sinh g i ớ i đ ã x ả y ra n h ờ d i t r u y ề n , b i ế n d ị và c h ọ n l ọ c t ự n h i ê n . 12 - M ỗ i m ộ t loài đ ề u c ó t h ể c ó quan h ệ m ậ t t h i ế t v ớ i c á c loài k h á c b ở i c ù n g c ó m ộ t t ổ tiên chung. T i ế p sau đ ó , Gregor Mendel cha đ ẻ của d i t r u y ề n học đ ã p h á t h i ệ n c á c quy l u ậ t c ơ bản đ ầ u tiên của d i truyền: - C á c tính trạng được d i truyền từ t h ế h ệ n à y sang t h ế h ệ kia theo c á c quy luật thống kê. - T í n h trạng được x á c định b ở i c á c y ế u t ố d i t r u y ề n (sau n à y n g ư ờ i ta g ọ i là gen). Oskar H e r t w i n g và Edouard Strasburger, trong những n ă m 1880 đ ã p h á t h i ệ n n h â n t ế b à o là trung t â m của d i t r u y ề n . Cho t i ê m v ậ t l i ệ u d i t r u y ề n t ừ v i k h u ẩ n chết v à o v i khuẩn sống. Chất h ó a học c h ư a b i ế t (được g ọ i là y ế u t ố G r i f f i t h ) t ừ m ộ t n ò i v i k h u ẩ n g â y bệnh bị giết chết đ ã t h â m nhập v à o m ộ t n ò i v i k h u ẩ n sống k h ô n g c ó k h ả n ă n g g â y bệnh. K ế t quả n ò i v i k h u ẩ n v ố n k h ô n g c ó k h ả n ă n g g â y b ệ n h n à y đ ã được c h u y ể n h ó a t h à n h chủng g â y bệnh. Sau n à y , Osvvald A v e r y và đ ồ n g n g h i ệ p (1944) đ ã chứng m i n h được vật l i ệ u d i truyền do G r i f f i t h t ì m ra hay deoxyribonucleic ( A D N ) . " y ế u t ố G r i f f i t h " c h í n h là m ộ t p h â n tử axit 1.3.2.4. Phát minh vai trò của ADN đối với sự sống Ba đặc trưng c ơ bản của sự sống là sinh sản, trao đ ổ i chất và t i ế n hoa. T í n h chất của A D N quy định cả ba đặc t r ư n g c ơ bản n à y . James Watson và Francis Crick (1953) p h á t m i n h c ấ u t r ú c sợi k é p của A D N . Sợi x o ắ n k é p h ì n h t h à n h theo đ ị n h luật Watson v à Crick, trong đ ó : m ộ t b a z ơ trên m ộ t sợi A D N l u ô n l u ô n t ư ơ n g đ ồ n g hoặc bắt cặp v ớ i m ộ t b a z ơ t ư ơ n g ứng ở sợi kia. A d e n i n chỉ g h é p cặp v ớ i T h y m i n và Cytosin chỉ g h é p cặp v ớ i Guanin. H ệ q u ả của định luật g h é p cặp n à y là hai m ạ c h của v ò n g x o ắ n k é p b ổ sung cho nhau n h ư c h ì a k h ó a v à ổ k h ó a . K h i hai sợi t á c h r ờ i nhau, m ỗ i sợi n à y l ạ i c ó t h ể quyết định v i ệ c x â y d ự n g m ộ t m ạ c h m ớ i b ổ sung cho n ó d ẫ n đ ế n sự n h â n đ ô i của A D N . N h ư v ậ y c ấ u t r ú c v ậ t lý của p h â n tử A D N g i ả i thích m ộ t gen c ó t h ể tự sao c h é p c h í n h x á c n h ư t h ế n à o m ỗ i l ầ n t ế b à o p h â n chia. - Cũng v à o n ă m 1953, G. G a m o w cho biết d i t r u y ề n tính trạng p h ả i t h ể h i ệ n qua tổng hợp c á c protein trong t ế b à o . - Han Gobind Khorana và Marshall Nirenberg (1966 -1967) p h á t m i n h m ã d i t r u y ề n . T ừ đây " đ ị n h l u ậ t t ư ơ n g ứ n g " giữa c á c n h ó m chập ba nucleotid (triplet hay c ò n được g ọ i là codons) của A D N và c á c axit amin của c á c protein đ ã được l à m s á n g t ỏ h o à n t o à n . Trong đ ó : + M ô h ì n h hai sợi x o ắ n k é p của A D N lý g i ả i k h ả n ă n g sinh sản bằng n h â n đ ô i của A D N là cơ sở lý g i ả i h i ệ n tượng d i t r u y ề n tính trạng, sinh sản ở sinh g i ớ i . + Trong q u á t r ì n h sinh sản của p h â n tử và t ế b à o l ạ i x ả y ra m ộ t số sai sót d ẫ n đ ế n đ ộ t b i ế n và tái t ổ hợp gen tạo ra t i ề n đ ề cho b i ế n dị và t i ế n hoa. 1.3.2.5. Tổng họp gen, kỹ thuật ADN tái tổ hợp và thao tác di truyền ở mức phân tử và tê bào - N ă m 1960, Jacob. F. và M o n o J. ( g i ả i t h ư ở n g N o b e l n ă m 1964) l ầ n đ ầ u tiên đ ã p h á t m i n h k h á i n i ệ m o p e r o n . Operon hay n h ó m chức n ă n g là n h ó m c á c gen liên quan 13 v ớ i nhau theo c á c chức n ă n g h ó a học nhất định trong m ộ t c h u ỗ i c á c p h ả n ứng sinh h ó a . Operon g ồ m c ó : Các gen cấu trúc (structural genes): quy đ i n h c ấ u t r ú c bậc n h ấ t hay t r ì n h t ự axit amin của enzym hoặc protein. Gen điều chỉnh (regulatory genes): đ i ề u k h i ể n hoạt hoa của c á c gen c ấ u t r ú c . P h á t m i n h n à y m ở ra c á c n g h i ê n cứu n g à y c à n g sâu v ề h ệ đ i ề u h à n h hoạt h ó a của gen trong t ế b à o . Jacob F . và M o n o J. cũng đ ã p h á t m i n h vai t r ò của A R N t h ô n g t i n ( m A R N ) trong c ơ c h ế hoạt đ ộ n g của gen: gen ( A D N ) quy đ ị n h t r ì n h t ự nucleotid của A R N t h ô n g t i n , t i ế p đ ế n trình tự nucleotid trong A R N t h ô n g t i n l ạ i quy đ ị n h t r ì n h t ự axit amin trong p h â n tử protein. T í n h đặc thù của protein l ạ i quy đ ị n h c ấ u t r ú c v à m ọ i q u á trình hoa học x ả y ra trong c ơ t h ể sống. N h ư v ậ y , n h â n l o ạ i đ ã p h á t m i n h c á c c ô n g đ o ạ n c ơ b ả n trong d ò n g c h ả y của t h ô n g tin d i truyền: D N A - A R N - protein. - N ă m 1967, A r t h u r Kornberg và cộng sự đ ã t ổ n g hợp được A D N của m ộ t virus trong p h ò n g t h í n g h i ệ m . - N ă m 1969, R. Edwards l ầ n đ ầ u tiên t h ụ thai t h à n h c ô n g m ộ t trứng n g ư ờ i t h ụ t i n h ngoài cơ thể. - N ă m 1970, Khorana H . G đ ã t h à n h c ô n g t ổ n g hợp n h â n tạo m ộ t gen. C ù n g n ă m n à y , Hamiton và Smith đ ã t á c h chiết được enzym cắt g i ớ i h ạ n ở Haemophilus infỉuenzae và x á c định được rằng enzym n à y chỉ cắt A D N ở đ o ạ n c ó t r ì n h t ự nucleotid đ ặ c t h ù . - Paul Berg và c ộ n g sự (1972) là những n g ư ờ i đ ầ u t i ê n sử d ụ n g e n z y m cắt đ ể m ở n h i ễ m sắc t h ể m ạ c h v ò n g của E. c o l i và cài v à o đ ó m ộ t A D N n g o ạ i l a i ( A D N của virus g â y bệnh ung t h ư ở n g ư ờ i ) , tạo ra p h â n tử A D N tái t ổ hợp đ ầ u t i ê n . C ô n g t r ì n h n à y được nhận g i ả i t h ư ở n g Nobel n ă m 1980. - N ă m 1973. S.'Cohen và H . Boyer h o à n chỉnh p h ư ơ n g p h á p c h u y ể n gen n g o ạ i l a i v à o c á c v i k h u ẩ n , m ở đ ầ u t h ờ i đ ạ i k ỹ thuật d i t r u y ề n . N h ờ v ậ y , v i ệ c n h â n nhanh m ộ t gen v ớ i số lượng tuy ý c ó t h ể thực h i ệ n được t h ô n g qua c h u y ể n gen v à o v i k h u ẩ n ( k ỹ thuật n à y g ọ i là n h â n d ò n g gen - gene cloning). 1.3.2.6. Phát minh mới về vai trò của các ARN Sidney A l t m a n và Thomas Cech được trao g i ả i N o b e l n ă m 1989 do p h á t h i ê n ra r ằ n g A R N c ó k h ả n ă n g hoạt đ ộ n g n h ư m ộ t chất x ú c tác (catalyst) v à c á c enzym c ó b ả n c h ấ t A R N được g ọ i c á c R i b o z y m . P h á t m i n h n à y m ở ra quan n i ệ m h o à n t o à n m ớ i v ề vai t r ò của A R N . Quan đ i ể m trước đ ó cho rằng A R N chỉ đ ó n g vai t r ò trung gian giữa A D N và protein. C á c n g h i ê n cứu sau đ ó cho t h ấ y A R N c ó t h ể tự x ú c t á c đ ể t ự sao c h é p và t ổ n g hợp c á c p h â n tử A R N k h á c . K h á m p h á đ ó đ ã d ẫ n đ ế n ý tưởng cho r ằ n g A R N là v ậ t l i ệ u d i t r u y ề n đ ầ u tiên trên trái đ ấ t . H i ệ n nay khoa học đ ã k h ẳ n g đ ị n h r ằ n g ribosomal R N A x ú c tác tạo liên k ế t peptid giữa c á c axit amin trong q u á trình dịch m ã . P h á t h i ệ n sau đ ó 14 c ò n cho t h ấ y A R N k h ô n g chỉ n h ư chất x ú c t á c , m à c ò n đ ó n g vai t r ò quan trọng h ơ n nữa trong đ i ề u k h i ể n b i ể u h i ệ n gen: - M ộ t số lượng l ớ n c á c p h â n tử A R N n h ỏ k h ô n g đ ó n g vai trò n h ư m ã d i truyền m à liên k ế t v ớ i protein đ ể tạo ra các phức hợp g ọ i là ribonucleoprotein. C á c ribonucleoprotein ảnh hưởng trực tiếp lên c á c q u á trình p h i ê n m ã (transcription), dịch m ã (translation), n h â n bản A D N và c ấ u trúc n h i ễ m sắc t h ể (ví d ụ g â y x o ắ n sợi n h i ễ m sắc thể). - T r o n g những n ă m đ ầ u của thập k ỷ 1980, n g ư ờ i ta đ ã p h á t h i ệ n t h ấ y c á c p h â n t ử A R N n h ỏ (dài k h o ả n g 100 nucleotid, sau n à y được g ọ i là c á c A R N đ ố i nghĩa) trong v i k h u ẩ n Escherichia coli c ó t h ể b á m v à o c á c trình tự t ư ơ n g đ ồ n g trong m A R N và ức c h ế phiên m ã ( M i z u n o và cs, 1984; Nordstrom và Wagner, 1994). N g à y nay, đ ã b i ế t khoảng 25 trường hợp trình tự A R N đ ố i nghĩa (antisense A R N ) , c ó k h ả n ă n g t r i ệ t tiêu hoạt hoa của c á c m A R N và đ i ề u t i ế t q u á trình dịch m ã trong E.coli (Gottesman, 2004). Sự đ i ề u hoa q u á trình dịch m ã b ở i antisense A R N c ũ n g x ả y ra trong sinh v ậ t n h â n chuẩn n h ư đ ã được m i n h hoa n ă m 1993 cho t h ấ y vai trò của antisense A R N quy đ ị n h sự p h á t t r i ể n của tuyến trùng Caenorhabditis elegans (Lee v à cs, 1993; W i g h t m a n và cs, 1993). H i ệ n tượng g â y bất hoạt gen b ở i A R N đ ố i nghĩa, c ó k í c h thước l ớ n sau đ ó đ ã được p h á t h i ệ n ở c á c c ơ t h ể sống n h â n thực (antisense A R N ) . Phát m i n h gần đ â y nhất, được coi là p h á t m i n h l ớ n nhất của khoa học c u ố i t h ế k ỷ X X là phát m i n h vai t r ò của c á c A R N ngắn đ ố i v ớ i đ i ề u k h i ể n hoạt hoa gen ở c á c c ơ t h ể sống n h â n thực. C á c A R N ngắn c ó k í c h thước v à o k h o ả n g 21-27 nucleotids g ọ i là s i A R N (short R N A ) hoặc m i A R N (micro R N A ) c ó k h ả n ă n g b á m v à o c á c trình t ự tương đồng v ớ i n ó trên c á c sợi A R N (có t h ể là m A R N hoặc A R N của virus, c á c l o ạ i A R N t h â m nhập v à o c ơ t h ể v à t ế b à o theo c á c con đ ư ờ n g k h á c nhau), l à m cho c á c sợi A R N n à y trở t h à n h sợi k é p ở m ộ t đ o ạ n ngắn. C á c enzym đặc t h ù (chỉ m ớ i t h ấ y ở c á c t ế b à o n h â n thực) c ó k h ả n ă n g n h ậ n b i ế t c á c trình tự k é p ngắn đ ó v à cắt sợi A R N l à m đ ô i , g â y bất hoạt gen. Sự bất hoạt của gen c ó t h ể x ả y ra ở hai mức đ ộ k h á c nhau: B ấ t hoạt gen ở giai đ o ạ n phiên m ã (transcriptional gene silencing TGS) do methyl hoa c á c t r ì n h tự gen (Matzke và cs, 1989; Wassenegger và cs, 1994) và sau p h i ê n m ã (post-transcriptional gene silencing PTGS) (Napoly và cs,1990; V a n der K r o l và cs, 1990; Smith v à cs,1990; de Carvalho và cs, 1992; van Blokland và cs, 1994). H i ệ n tượng bất hoạt gen sau p h i ê n m ã (PTGS) đ ã được p h á t h i ệ n ở thực vật, ở n ấ m men Neurospora carassa, ở tuyến trùng, r u ổ i d ấ m và n h i ề u đ ộ n g vật k h á c , k ể cả con n g ư ờ i . H a i n h à khoa học M ỹ Andrevv Fire và Craig M e l l o đ ã được trao g i ả i t h ư ở n g Nobel n ă m 2006 do c ó c ô n g l ớ n p h á t m i n h ra c ơ c h ế g â y bất hoạt gen b ở i c á c A R N ngắn m à 2 ô n g g ọ i là A R N i ( A R N i v i ế t tắt từ tiếng A n h R N A i n t e r í e r e n c e ) . C ô n g nghệ A R N i h i ệ n nay được c á c n h à khoa học và c ô n g nghiệp sinh học g ọ i là c ô n g n g h ệ đ ầ y sức m ạ n h , c ó k h ả n ă n g can t h i ệ p h i ệ u q u ả v à o n h i ề u l ĩ n h vực sinh học, n ô n g nghiệp và y học. 15 1.3.3. M ộ t v à i ứ n g d ụ n g c ủ a CNSH - N ă m 1977, h ã n g Genetech đ ã tạo ra v i k h u ẩ n b i ế n đ ổ i gen sản x u ấ t được h o r m o n n g ư ờ i - somatostatin phục vụ mục đ í c h c ô n g nghiệp. N ă m 1978 h ã n g n à y l ạ i sản x u ấ t được insulin bằng k ỹ thuật t ư ơ n g tự. - N ă m 1980, h ã n g Biogen sản x u ấ t được i n t e r í e r o n của bạch c ầ u n g ư ờ i bằng k ỹ thuật d i truyền. I n t e r í e r o n ở n g ư ờ i là m ộ t hợp chất t h i ê n n h i ê n k h á n g virus c ó k h ả n ă n g l à m t ă n g sức đ ề k h á n g bệnh ở n g ư ờ i và c ó tính k h á n g ung thư. - N ă m 1984, m ộ t trẻ s ơ sinh đ ầ u tiên ở p h ò n g t h í n g h i ê m của ú c p h á t t r i ể n t ừ m ộ t p h ô i đ ã được đ ô n g lạnh n h i ề u t h á n g . - N ă m 1985, n g ư ờ i ta đ ã thu được k ế t q u ả tuyệt v ờ i k h i đ i ề u trị b ệ n h ung t h ư bằng inteleukin-2, m ộ t protein được sản x u ấ t trên quy m ô c ô n g n g h i ệ p n h ờ c á c v i k h u ẩ n c h u y ể n gen. - N ă m 1986, s. Willedson t h ô n g b á o đ ã thực h i ệ n t h à n h c ô n g sự sinh sản v ô t í n h của cừu c á i . - N ă m 1990, l ầ n đ ầ u tiên n g ư ờ i ta đ ã thực h i ệ n ca đ i ề u trị b ệ n h do gen t r ê n m ộ t b ệ n h n h â n gái 4 t u ổ i bị t h i ể u n ă n g m i ễ n dịch. P h ư ơ n g p h á p chữa bệnh bằng l i ệ u p h á p gen đ ã tỏ ra đ ầ y t r i ể n vọng v ớ i việc đ ư a v à o c á c t ế b à o của c ơ t h ể n g ư ờ i b ệ n h m ộ t gen b ì n h t h ư ờ n g đ ể chữa bệnh do t h i ế u gen n à y . - H i ệ n nay, c á c c h ư ơ n g trình n g h i ê n cứu l ớ n mang t ầ m c ỡ t o à n n h â n l o ạ i đ ã ra đ ờ i và đ a n g được t r i ể n khai, như: - N ă m 1991, D ự á n Quốc t ế v ề genom n g ư ờ i (human genom project) bắt đ ầ u được t r i ể n khai v ớ i mục tiêu đ ế n n ă m 2005 đ ọ c t o à n b ộ trình t ự genom của n g ư ờ i v ớ i k h o ả n g 3.000 t r i ệ u cập nucleotid trong giai đ o ạ n 15 n ă m . N ă m 1994, m ộ t n h ó m n g h i ê n cứu P h á p ở p h ò n g t h í n g h i ệ m G i ê - n ê - t h ô n g ( G é n é t h o n ) c ô n g b ố bản đ ồ đ ầ u tiên v ề h ệ gen n g ư ờ i và p h ổ b i ế n bản đ ổ đ ó cho t o à n t h ế g i ớ i . V à đ ế n n ă m 2004 t r ê n 21.000 gen ở n g ư ờ i đ ã được m ã hoa (đọc trình tự); - C h ư ơ n g trình genom của m ộ t số c á c sinh v ậ t quan trọng; - C h ư ơ n g trình chức n ă n g genom (functional genomics) v ớ i sự tham gia của n h i ề u p h ư ơ n g p h á p c ô n g n g h ệ m ớ i n h ư so s á n h Genom (comperative genomics), protein học (proteomics), c ô n g n g h ệ nano sinh học... N h ư v ậ y , đ ế n c u ố i thiên n i ê n k ỷ X X sau c ô n g n g u y ê n n h â n l o ạ i chẳng n h ữ n g đ ã x á c định được bản chất sinh hoa của gen m à c ò n t á c h được gen, c h u y ể n n ó t ừ c ơ t h ể sống n à y sang c ơ t h ể sống k h á c m ộ t c á c h k h á d ễ d à n g , đ ọ c được t r ì n h tự nucleotid của h ệ gen và đ a n g từng bước k h á m p h á chức n ă n g của từng gen, của h ệ thống gen v à học c á c h đ i ề u k h i ể n được hoạt đ ộ n g của c h ú n g . T h ế k ỷ X X I sẽ là t h ế k ỷ của k ỹ thuật d i t r u y ề n v à CNSH s á n g tạo ra những dạng thức sống m ớ i , c á c thiết bị v ậ t l i ệ u m ớ i , c á c p h ư ơ n g thức h i ệ n đ ạ i của y học trị l i ệ u vì l ợ i ích của n h â n l o ạ i . 16 1.4. K H Á M P H Á B Ả N C H Ấ T C Ủ A s ự S Ố N G V À V A I T R Ò C H Ủ Đ Ạ O C Ủ A G E N T ừ t h ờ i t i ề n sử n h â n l o ạ i đ ã bị á m ảnh b ở i những c â u h ỏ i g ầ n n h ư v ĩ n h hằng: 1. Sự sống do đ â u m à c ó ? 2. T h ế n à o là sự sống? C h ấ t sống k h á c v ớ i chất k h ô n g sống ở c h ỗ n à o ? 3. T ạ i sao sinh g i ớ i l ạ i đ a dạng và hài hoa đ ế n n h ư vậy? 4. Y ế u t ố n à o q u y ế t định sự t ồ n t ạ i , v ậ n đ ộ n g và p h á t t r i ể n của sinh giới? 5. Con n g ư ờ i c ó t h ể c ả i tạo sinh g i ớ i k h ô n g và bằng c á c h n à o ? T ấ t cả những c â u h ỏ i đ ó gần n h ư k h ô n g c ó c â u trả l ờ i cho đ ế n k h i p h á t h i ệ n ra gen, p h â n tử A D N và hoạt tính sinh học của n ó . C h ú n g ta c ó thể p h â n biệt chất sống và chất k h ô n g sống bằng 3 đặc tính cơ bản dưới đây: - K h ả n â n g sinh sản - K h ả n ă n g trao đ ổ i chất - K h ả n ă n g d i t r u y ề n , b i ế n dị và t i ế n hoa Trong đ ó , những thuộc tính của p h â n tử A D N quy đ ị n h c á c đặc t í n h c ă n bản trên đ â y của c ơ t h ể sống. 1.4.1. Khám phá bản chất của sự sống và khả năng cải tạo sinh giới bằng công nghệ sinh học Gen và c ấ u t r ú c của gen quy định m ọ i đặc tính của c ơ t h ể sống và tính đ a dạng phong p h ú của h ệ sinh t h á i . M u ố n c ả i tạo sinh g i ớ i phải t á c đ ộ n g trực t i ế p v à o gen. Sau n h ữ n g p h á t m i n h của M e n d e l và M o r g a n , n g ư ờ i ta đ ã k h ẳ n g đ ị n h : M ọ i đặc t í n h của c ơ t h ể sống do gen quy định. N h ư n g chỉ m ã i đ ế n n ă m 1944 n g ư ờ i ta m ớ i x á c đ ị n h được gen c h í n h là c á c p h â n tử deoxyribonucleic acid ( A D N ) . Đ ế n n ă m 1953, Watson và C r i c k đ ã p h á t m i n h c ấ u t r ú c h ì n h sợi g ồ m hai c h u ỗ i x o ắ n k é p t ư ơ n g đ ồ n g của A D N . M ỗ i sợi A D N là m ộ t p o l y m e r được tạo b ở i c á c t r ì n h t ự sắp x ế p k h á c nhau của c á c nucleotid. C ó b ố n l o ạ i deoxyribonucleotid: adenin, guanin, cytosin v à t h i m i n . C ứ ba nucleotid l ạ i tạo ra m ộ t t ổ hợp chập ba (triplet) hay c ò n g ọ i là đ ơ n vị m ã d i t r u y ề n (codon), b ố n nucleotid v ớ i t ổ hợp chập ba sẽ tạo ra 4 = 64 codon k h á c nhau. 3 C h i ề u d à i của gen t h ư ờ n g r ấ t k h á c nhau. N ế u t í n h m ộ t gen t r u n g b ì n h được t ạ o b ở i k h o ả n g 900 n u c l e o t i d = 300 codons. Theo lý t h u y ế t v ớ i 64 codon sẽ tạo ra 64.300 c á c p h â n tử A D N hay c á c gen k h á c nhau. V ớ i 7 nốt nhạc, n h â n l o ạ i đ ã tạo ra h à n g triệu bài ca. V ớ i 32 c h ữ cái, c á c n h à v ă n đ ã viết ra h à n g t r i ệ u c u ố n s á c h . V ớ i 64 codon c ó t h ể s á n g tạo ra hằng h à sa số c á c c ấ u t r ú c đ a d ạ n g v ô c ù n g v ô t ậ n của p h â n tử A D N . Đ i ề u đ ó g i ả i t h í c h t ạ i sao t h ế g i ớ i sống của ta l ạ i phong p h ú , đ a d ạ n g và tuyệt v ờ i đ ế n n h ư v ậ y . H à n g t r i ệ u c á c loài sinh vật trên trái đ ấ t , trên n ă m t ỷ n g ư ờ i h ầ u n h ư k h ô n g ai giống hệt ai. H ã y n h ì n k ỹ v à o m ộ t n g ư ờ i , m ộ t n g ư ờ i bạn y ê u chẳng hạn, c ó biết bao n h i ê u m à u sắc, bao n h i ê u c ấ u t r ú c , bao n h i ê u trí t u ệ , n g ô n t ừ và t â m h ồ n trong đ ó . 17 N h ư v ậ y , tất cả tính đ a dạng phong p h ú , t ấ t cả những v ẻ đ ẹ p t h i ê n t h ầ n của sự sống đ ề u do gen và c ấ u trúc của gen quy định. T r ậ t tự của c á c nucleotid quy đ ị n h c ấ u t r ú c đặc thù của gen. Số lượng đ a dạng của gen quy định tính đ a d ạ n g của sinh g i ớ i . 1.4.2. Vai trò của gen được thể hiện như thế nào trong tế bào sống? C ấ u trúc đặc thù của gen l ạ i quy định c ấ u trúc đặc t h ù của A R N t h ô n g t i n . Đ ế n lượt A R N t h ô n g t i n l ạ i quy định c ấ u trúc đặc thù của c á c protein. M ỗ i codon trong p h â n t ử A D N sẽ thích ứng v ớ i m ộ t p h â n tử axit amin trong m ạ c h của protein. T r ậ t t ự của 64 codon trong A D N sẽ quy định trật tự sắp x ế p của cạc axit a m i n ( g ồ m trên 20 axit a m i n k h á c nhau) trong p h â n tử protein. N g à y nay n g ư ờ i ta đ ã x á c định được trình tự c ấ u trúc nucleotid của h à n g t r ă m n g à n gen và trình tự axit amin trong p h â n tử của h à n g chục n g h ì n protein. T r o n g s ố c á c protein đ ã được tinh chế, c ó khoảng 90% protein là c á c enzym, k h o ả n g 10% protein c ò n l ạ i là c á c protein c ấ u trúc (thiết k ế n ê n c á c t ổ chức m à n g t ế b à o sống v à c ơ t h ể sống) v à c á c chất hoạt tính sinh học k h á c nhau n h ư c á c hormon, insulin, c á c i n t e r í e r o n . . . N h ư v ậ y trình tự axit amin đặc thù l ạ i quy định tính đặc t h ù của c á c enzym, trong đ ó m ỗ i m ộ t phản ứng sinh hoa học hoặc m ỗ i bước trong q u á trình d ẫ n t r u y ề n đ i ệ n t ử trong h ệ thống m à n g t ế b à o đ ề u được quy định b ở i m ộ t enzym hoặc m ộ t protein c ấ u t r ú c . H à n g n g h ì n c á c c h u ỗ i phản ứng sinh h ó a học trong m ỗ i t ế b à o đ ề u do c á c e n z y m hoặc h ệ thống enzym quy định. X é t cho c ù n g gen và c á c sản p h ẩ m trực t i ế p của gen ( c á c protein) quy định m ọ i c ấ u trúc và q u á trình x ả y ra trong c ơ t h ể sống. Gen và hệ thống cả nằm trường trong sống, mối gen, enzym quan hệ biện và hệ thống chứng trong đó gen là chìa khoa phức enzym, protein tạp giữa và các tổ chức chúng của vận động sinh với nhau sống, và vói tất môi học. N ă m 1955, l ầ n đ ầ u tiên trật tự của c á c nucleotid trong p h â n t ử A D N của m ộ t con v i k h u ẩ n đ ã được x á c định g ồ m khoảng 1,8 t r i ệ u cặp nucleotid. N g à y nay, n g ư ờ i ta đ ã khẳng định trong m ỗ i v i k h u ẩ n ( t ế b à o t i ề n n h â n prokaryote) c á c gen được sắp x ế p trên m ộ t sợi A D N k h é p kín. T r o n g trực k h u ẩ n đ ư ờ n g r u ộ t v ớ i k í c h thước k h o ả n g 1 - 2 um có chứa m ộ t sợi A D N c ó đ ộ dài khoảng l m m g ồ m t r ê n b ố n t r i ệ u cặp nucleotid hay t ư ơ n g đ ư ơ n g v ớ i khoảng trên 3000 gen k h á c nhau. T r o n g c á c sinh v ậ t bậc cao hem, trong t ế b à o eukaryotes, c á c gen được sắp x ế p theo trật tự nhất đ ị n h t r ê n sợi n h i ễ m sắc t h ể . T r o n g m ộ t t ế b à o của n g ư ờ i c ó chứa khoảng 30.000 gen k h á c nhau. M ỗ i gen trong t ế b à o sống đ ề u được x ế p đ ặ t theo m ộ t trật t ự đ ã được quy đ ị n h và hoạt hoa của n ó được đ i ề u k h i ể n m ộ t c á c h c h í n h x á c . Thay đ ổ i vị trí của gen, cắt bớt gen hoặc t h ê m c á c gen, t h ậ m c h í thay đ ổ i vị trí của chỉ m ộ t đ o ạ n n g ắ n A D N hoặc m ộ t nucleotid trong sợi A D N của n h i ễ m sắc t h ể đ ề u c ó t h ể d ẫ n đ ế n n h ữ n g b i ế n đ ổ i phức t ạ p trong c ơ thể sống. H i ệ n nay việc c h u y ể n gen v à o c ơ t h ể sống c ò n phụ thuộc n h i ề u v à o c á c y ế u t ố n g ẫ u n h i ê n , nhất là định vị của gen l ạ trên n h i ễ m sắc t h ể . Đ ị n h vị gen k h ô n g phù hợp cho b i ể u h i ệ n gen d ẫ n đ ế n h i ệ u q u ả c h u y ể n gen thấp. 18