BÀI 11. HỆ GENE, CÔNG NGHỆ GENE VÀ ỨNG DỤNG
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 11. HỆ GENE, CÔNG NGHỆ GENE VÀ ỨNG DỤNG
Khởi động
Giới thiệu bài
Ảnh
Giới thiệu bài
Mục tiêu
Ảnh
Mục tiêu:
Phát biểu được khái niệm hệ gene. Trình bày được một số thành tựu và ứng dụng của việc giải mã hệ gene người. Nếu được khái niệm, nguyên lí và một số thành tựu của công nghệ DNA tái tổ hợp. Nếu được khái niệm, nguyên lí và một số thành tựu tạo thực vật và động vật biến đổi gene. Tranh luận, phản biện được về việc sản xuất và sử dụng sản phẩm biến đổi gene và đạo đức sinh học.
Khởi động
Ảnh
Khởi động
Hiện nay, sinh vật biến đổi gene được tạo ra ngày càng nhiều và dần trở nên phổ biến. Giải thích có nên sử dụng sinh vật biến đổi gene không?
Khái niệm hệ gene
Khái niệm hệ gene
Ảnh
Khái niệm hệ gene:
+ Hệ gene là toàn bộ lượng vật chất di truyền trong tế bào của sinh vật, Ở sinh vật nhân sơ, hệ gene là phân tử DNA vòng trong vùng nhân và plasmid. Ở sinh vật nhân thực, hệ gene gồm tập hợp phân tử DNA trên nhiễm sắc thể trong nhân tế bào và trong các bào quan như ti thể, lục lạp (thực vật) hoặc lpasmid (nấm men). + Với kĩ thuật giải trình tự DNA ngày càng nhanh và hiệu quả. Đã có hàng chục nghìn hệ gene của các sinh vật được giải trình tự. Các sinh vật này ở các bậc phân loại khác nhau có hệ gene với kích thước, số lượng gene khác nhau (bảng 11.1). Hệ gene chứa các gene mã hóa RNA, protein cần cho các hoạt động sống của sinh vật.
Bảng 11.1
Ảnh
Ảnh
Câu hỏi
Ảnh
Câu hỏi: Dựa vào thông tin ở bảng 11.1, hãy nhận xét đặc điểm hệ gene của một số loài sinh vật?
Trả lời: + Các loài sinh vật khác nhau có đặc điểm hệ gene khác nhau.
Thành tựu và ứng dụng của việc giải mã hệ gene người
1. Một số thành tựu của việc giải trình tự hệ gene người
Ảnh
1. Khái niệm:
+ Mức phản ứng là tập hợp kiểu hình của các cá thể có cùng một kiểu gene tương ứng với phạm vi biến đổi của các điều kiện môi trường sống khác nhau. Mức phản ứng cho biết ảnh hưởng của sự thay đổi môi trường đối với kiểu hình ở sinh vật. + Để xác định mức phản ứng, có thể theo dõi và ghi nhận kiểu hình của các cá thể có cùng một kiểu gene khi được nuôi, trồng ở một dãy điều kiện môi trường. + Sự tương tác giữa kiểu gene và môi trường sống của sinh vật được quan sát thông qua việc lập biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa sự thay đổi môi trường và biến đổi kiểu hình.
- Hình 11.1
Ảnh
- Câu hỏi
Ảnh
Câu hỏi: Quan sát hình 11.1 và nêu một số thành tựu của việc giải trình tự hệ gene người?
Trả lời: + Thành tựu: hệ gene người được giải trình tự hoàn chỉnh.
2. Một số ứng dụng của việc giải trình tự hệ gene người
Ảnh
2. Một số ứng dụng của việc giải trình tự hệ gene người:
- Hệ gene người được giải trình tự đã cho phép con người hiểu rõ về quá trình di truyền các tính trạng cũng như bệnh tật ở người. Một số ứng dụng cơ bản của việc giải trình tự hệ gene người.
- Câu hỏi
Ảnh
Câu hỏi: Hãy cho biết lợi ích của việc giải trình tự hệ gene người?
Trả lời: + Lợi ích của việc giải trình tự hệ gene người: + Nghiên cứu tiến hoá: Thông tin di truyền từ hệ gene người được ứng dụng trong nghiên cứu sự tiến hoá loài người. + Bảo vệ sức khoẻ con người: - Trình tự hệ gene người được sử dụng để phát hiện các đột biến gene gây bệnh di truyền, từ đó đưa ra phương pháp điều trị thích hợp. - Các thông tin về các đột biến có thể được sử dụng trong tư vấn di truyền, giúp các cặp vợ chồng đưa ra quyết định phù hợp về các lựa chọn sinh con. - Một số loại thuốc điều trị ung thư tác động đến gene hoặc protein để tiêu diệt hoặc ức chế tế bảo ung thư đã được phát triển nhờ thành tựu giải mã hệ gene người.
- Nghiên cứu tiến hóa
Ảnh
2. Nghiên cứu tiến hóa:
- Thông tin di truyền từ hệ gene người được ứng dụng trong nghiên cứu sự tiến hóa loài người. Ví dụ: so sánh thông tin từ hệ gene người hiện đại với các hệ gene người cổ cho thấy mối quan hệ họ hàng giữa người hiện đại với người Neanderthaal, Denisovans, H.heidelbergensis, H. ecratus.
- Bảo vệ sức khỏe con người
Ảnh
2. Bảo vệ sức khỏe con người:
- Trình tự hệ gene người được sử dụng để phát hiện các đột biến gene gây bệnh di truyền, từ đó đưa ra phương pháp điều trị thích hợp. - Các thông tin về các đột biến có thể được sử dụng trong tư vấn di truyền, giúp các cặp vợ chồng đưa ra quyết định phù hợp về các lựa chọn sinh con. - Một số loại thuốc điều trị ung thư tác động đến gene hoặc protein để tiêu diệt hoặc ức chế tế bào ung thư đã được phát triển nhờ thành tựu giải mã hệ gene người. Nhờ giải mã hệ gene người, các oncogene (gene sản sinh protein kích thích tăng sinh tế bào khối u) được phát hiện. Thuốc chứa tác nhân ức chế tyrosine kianase có khả năng nhận biết protein sinh ra bởi oncogene được sản xuất để điều trị ung thư.
Công nghệ DNA tái tổ hợp
1. Khái niệm công nghệ DNA tái tổ hợp
Ảnh
1. Khái niệm công nghệ DNA tái tổ hợp:
+ DNA tái tổ hợp là phân tử DNA hình thành từ sự nối hai hay nhiều đoạn DNA cùng nguồn hoặc khác nguồn. Công nghệ DNA tái tổ hợp (công nghệ gene) là quy trình kĩ thuật dựa trên nguyên lí tái tổ hợp DNA và nguyên lí biểu hiện gene, tạo ra các phân tử DNA tái tổ hợp và protein tái tổ hợp (hình 11.2).
2. Nguyên lí của công nghệ DNA tái tổ hợp
Ảnh
2. Nguyên lí của công nghệ DNA tái tổ hợp:
Ảnh
- Câu hỏi
Ảnh
Câu hỏi: Quan sát hình 11.2 và mô tả quá trình tạo DNA tái tổ hợp?
Trả lời: + Quá trình tạo DNA tái tổ hợp: Sử dụng cùng loại enzyme giới hạn (endonuclease xúc tác cắt DNA tại những vị trí nhận biết đặc hiệu) cắt đoạn DNA ngoại lai và vector, sau đó gắn đoạn DNA ngoại lai vào vector nhờ enzyme ligase để tạo vector tái tổ hợp trước khi đưa vào thể nhận. Kĩ thuật tái tổ hợp DNA bao gồm các bước: thu nhận đoạn DNA, ghép nối (gắn) đoạn DNA vào vector để tạo ra vector tái tổ hợp, biến nạp vector tái tổ hợp vào thể nhận.
- Nguyên lí tái tổ hợp DNA
Ảnh
Nguyên lí tái tổ hợp DNA:
+ Sử dụng cùng loại enzyme giới hạn (restriction endonuclease xúc tác cắt DNA tại những vị trí nhận biết đặc hiệu) cắt đoạn DNA ngoại lai và vector, sau đó gắn đoạn DNA ngoại lai và vector, sau đó gắn đoạn DNA ngoại lai vào vecter nhờ enzyme ligase để tạo vector tái tổ hợp trước khi đưa vào tế bào nhận. Kĩ thuật tái tổ hợp DNA bao gồm các bước: thu nhận đoạn DNA, ghép nối (gắn) đoạn DNA vào vector để tạo ra vector tái tổ hợp, biến nạp vector tái tổ hợp vào tế bào nhận. + Vector tái tổ hợp là vector nhân dòng mang đoạn DNA ngoại lai có thể xâm nhập vào tế bào nhận và nhân lên độc lập hoặc cài đoạn DNA ngoại lai vào nhiễm sắc thể của tế bào nhận.
- Nguyên lí biểu hiện gene
Ảnh
Nguyên lí biểu hiện gene:
+ Đoạn DNA ngoại lai được gắn vào vector biểu hiện và đưa vào tế bào nhận, gene biểu hiện tạo ra các sản phẩm RNA hoặc protein tái tổ hợp. + Kĩ thuật hiểu hiện gene gồm các bước tương tự như kĩ thuật tái tổ hợp DNA, tuy nhiên cần cài đoạn DNA ngoại lai vào vector biểu hiện thành vector tái tổ hợp. Trong đó, vector biểu hiện chính là vector chứa các trình tự điều hòa cho phép tạo sản phẩm phiên mã của gene ngoại lai, từ đó tạo ra protein tái tổ hợp trong tế bào nhận.
3. Một số thành tựu của công nghệ DNA tái tổ hợp
Ảnh
3. Một số thành tựu của công nghệ DNA tái tổ hợp:
+ Mặc dù ra đời trong thời gian ngắn, công nghệ DNA tái tổ hợp được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống và đạt được nhiều thành tựu nổi bật. + Công nghệ DNA tái tổ hợp được sử dụng để tạo các sinh vật chuyển gene mang các tính trạng tốt như có năng suất và giá trị dinh dưỡng cao, sức chống chịu tốt hơn với các yếu tố môi trường vô sinh cũng như hữu sinh bất lợi. + Công nghệ DNA tái tổ hợp giúp chuyển gene mã hóa insulin của người vào vi khuẩn E. coli. Vi khuẩn E. clo tái tổ hợp có thể sản xuất lượng lớn insulin dùng trong điều trị bệnh tiểu đường. + Công nghệ DNA tái tổ hợp giúp sản xuất vaccine phòng bệnh viên gan B (hình 11.3), vaccine phòng bệnh do virus gây u nhú ở người (HPV), vaccine phòng bệnh COVID-19.
- Hình 11.3
Ảnh
- Câu hỏi
Ảnh
Câu hỏi: Quan sát hình 11.3 và mô tả sơ đồ quá trình sản xuất vaccine phòng bệnh viêm gan B?
Trả lời: + Quá trình sản xuất vaccine phòng bệnh viêm gan B: Cắt gene từ hệ gene của virus đưa vào plasmid của vi khuẩn, plasmid mang gene chuyển sẽ được chèn vào DNA của nấm men, nấm men sau khi biến đổi gene sẽ sinh ra protein virus, sau đó tiến hành nuôi cấy để tách chiết protein làm nguyên liệu của vaccine.
- Tình huống
Ảnh
Câu hỏi: Lấy thêm ví dụ thành tựu của công nghệ DNA tái tổ hợp trong điều trị bệnh ở người?
Trả lời: + Ví dụ bệnh suy giảm miễn dịch thể kết hợp trầm trọng (SCID) do đột biến gene mã hoá enzyme adenosine deaminase (ADA) được chữa khỏi bằng cách đưa gene lành vào cơ thể người bệnh nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp.
Thực vật và động vật biến đổi gene
1. Tạo thực vật biến đổi gene
Ảnh
1. Tạo thực vật biến đổi gene:
Ảnh
- Nguyên lí tạo thực vật biến đổi gene
Ảnh
Nguyên lí tạo thực vật biến đổi gene:
+ Tạo thực vạt biến đổi gene thực hiện theo nguyên lí chung tạo sinh vật biến đổi gene. Đối với thực vật, vector tái tổ hợp thường được biến nạp vào vi khuẩn A. tumefaciens hoặc A. rhiogenesis, sau đó vi khuẩn Agrobacterium được cho lấy nhiễm vào thế bào thực vật nhận gene (phương pháp chuyển gene gián tiếp). Vector tái tổ hợp cũng có thể được chuyển vào tế bào thực vật bằng phương pháp trực tiếp như súng bắn gene, xung điện, qua ống phấn,....
- Câu hỏi
Ảnh
Câu hỏi: Quan sát hình 11.4, nêu nguyên lí tạo thực vật chuyển gene?
Trả lời: + Tạo thực vật biến đổi gene thực hiện theo nguyên lí chung tạo sinh vật biến đổi gene. Đối với thực vật, vector tái tổ hợp thường được biến nạp vào vi khuẩn A. tumefaciens hoặc A. rhizogenesis, sau đó vi khuẩn Agrobacterium được cho lây nhiễm vào tế bào thực vật nhận gene (phương pháp chuyển gene gián tiếp).
- Thành tựu tạo thực vật biến đổi gene
Ảnh
Thành tựu tạo thực vật biến đổi gene:
+ Tạo ra các loại cây trồng biến đổi gene có khả năng kháng sâu, bệnh, thuốc diệt cỏ. Ví dụ: giống bông Bt biến đổi gene có khả năng tạo ra độc tố Bt và kháng một số loại sâu; nhiều giống cây trồng có năng suất cao, phẩm chất tốt và chống chịu tốt với hạn, mặn,...như giống đậu tương chuyển gene ZD91 có hàm lượng methionine cao, giống lúa Golden rice có hàm lượng carotene và protein cao,... + Sản xuát vaccine dựa trên thực vật: Một số cây trồng như khoai tây, cà chua được chuyển gene mã hóa protein kháng nguyên của virut. + Thực vật chuyển gene được sử dụng để sản xuất các loại protein dùng trong công nghiệp hoặc y học.
2. Tạo động vật biến đổi gene
Ảnh
2. Tạo động vật biến đổi gene:
+ Tạo động vật biến đổi gene thực hiện theo nguyên lí chung tạo sinh vật biến đổi gene. Đối với động vật, vector tái tổ hợp mang gene ngoại lai được chuyển trực tiếp nhờ vector có nguồn gốc từ virut, tế bào trứng, tinh trùng, tế bào gốc phôi. Ở động vật có vú, trứng ở giai đoạn tiền nhân.
Ảnh
- Câu hỏi
Ảnh
Câu hỏi: Quan sát hình 11.5, mô tả nguyên lí tạo động vật biến đổi gene?
Trả lời: + Tạo động vật biến đổi gene thực hiện theo nguyên lí chung tạo sinh vật biến đổi gene. Đối với động vật, vector tái tổ hợp mang gene ngoại lai được chuyển trực tiếp vào tế bào động vật nhận nhờ phương pháp vi tiêm hoặc gián tiếp nhờ vector có nguồn gốc từ virus (retrovirus, lentivirus,...), tế bào trứng, tinh trùng, tế bào gốc phôi. Ở động vật có vú, trứng ở giai đoạn tiền nhân (trứng đã thụ tinh những nhân tinh trùng chưa kết hợp với nhân trứng) thích hợp nhất với sự biến nạp. Phôi mang gene ngoại lai sẽ được đưa vào tử cung của con vật mang thai hộ, từ đó sinh ra cả thể động vật chuyển gene.
- Thành tựu tạo động vật biến đổi gene
Ảnh
Thành tựu tạo động vật biến đổi gene:
+ Tạo ra một số động vật biến đổi gene có một số tính trạng mong muốn như tốc độ sinh trưởng nhanh, sữa có hàm lượng lactoglobulin cao. + Sử dụng động vật biến đổi gene để sản xuất mô số hợp chất phục vụ cho y học. Ví dụ: bò được chuyển gene mã hóa fibrinogen, chuột được chuyển gene mã hóa albumon huyết thanh của người. + Sử dụng các động vật mang DNA tái tổ hợp làm mô hình nghiên cứu một số bệnh ở người. Ví dụ: dùng chuột được chuyển APP của người để nghiên cứu bệnh Alzheimer.
Sản xuất, sử dụng sản phẩm biến đổi gene và đạo đức sinh học
Sản xuất, sử dụng sản phẩm biến đổi gene và đạo đức sinh học
Ảnh
Sản xuất, sử dụng sản phẩm biến đổi gene và đạo đức sinh học:
+ Các sản phẩm từ các giống vi sinh vật, cây trồng, vật nuôi biến đổi gene ngày càng xuất hiện nhiều trong các lĩnh vực của đời sống, cung cấp lương thực, thực phẩm, dược phẩm,...Trong trồng trọt, diện tích cây trồng biến đổi gene đã tăng từ 1,7 triệu ha (năm 1996) đến 185,6 triệu ha (năm 2020). Tuy nhiên, việc phát triển các sản phẩm biến đổi gene luôn là một đề tài gây tranh luận và cần được phản biện hết sức thận trọng. + Sinh vật biến đổi gene và sản phẩm của chúng có nhiều lợi ích nhưng luôn tiềm ẩn các rủi ro mà con người chưa đánh giá hết được.
- Câu hỏi
Ảnh
Câu hỏi: Dựa trên thông tin trong bảng 11.2, lấy ví dụ để tranh luận, phản biện các lợi ích hoặc nguy cơ/rủi ro của sinh vật biến đổi gene và sản phẩm biến đổi gene?
Trả lời: Phản biện lợi ích: + Có nguy cơ tiềm ẩn gây hại sức khoẻ người sử dụng + Có nguy cơ phát tán gene không mong muốn + Tăng khả năng kháng kháng sinh + Có thể kích hoạt phản ứng miễn dịch và dị ứng + Gây suy giảm đa dạng sinh học + Có nguy cơ gây hại môi trường.
- Bảng 11.2
Ảnh
Ảnh
Luyện tập
Bài 1
Bài tập trắc nghiệm
Đâu không phải là ứng dụng của công nghệ gene?
A. Tạo ra các chủng vi sinh vật mới.
B. Tạo giống cây trồng biến đổi gene.
C. Nhân bản vô tính ở động vật.
D. Tạo động vật biến đổi gene.
Bài 2
Bài tập trắc nghiệm
Phát biểu nào sau đây không phải là một bước trong kĩ thuật tái tổ hợp DNA?
A. Thu nhận đoạn DNA ngoại lai.
B. Tạo vector tái tổ hợp khi gắn đoạn DNA ngoại lai vào vector.
C. Gene ngoại lai biểu hiện thành sản phẩm protein.
D. Biến nạp vector tái tổ hợp vào tế bào nhận.
Bài 3
Bài tập trắc nghiệm
Thể truyền không có đặc điểm nào sau đây?
A. Có thể ức chế gen của tế bào nhận để gen cần chuyển biểu hiện tính trạng.
B. Mang được gen cần chuyển
C. Tồn tại độc lập và tự nhân đôi trong tế bào nhân.
D. Có thể cài gen cần chuyển vào bộ gen của tế bào nhận
Vận dụng
Vận dụng
Ảnh
Vận dụng
+ Hiện nay, một số quốc gia trên thế giới đã cho phép thương mại hoá một số thực phẩm biến đổi gene. Hãy sưu tầm các tài liệu về lợi ích và rủi ro của thực phẩm biến đổi gene làm minh chứng để tranh luận về các ý kiến ủng hộ hoặc phản đối việc sử dụng thực phẩm biến đổi gene.
Cảm ơn
Ảnh