Thành tựu của công nghệ gen trong chọn giống ở thực vật

Nội dung video bài giảng Tạo giống bằng công nghệ gen  dưới đây sẽ giới thiệu đến các em một cách chi tiết về quá trình tạo giống mới bằng công nghệ gen và các ứng dụng của công nghệ gen trong việc tạo ra các giống sinh vật biến đổi gen . Mời các em cùng theo dõi. 

Hôm nay chúng ta sẽ tiếp tục chuyên đề Di truyền học ứng dụng, bài 4: Tạo giống bằng công nghệ gen.

1. Khái niệm

• Công nghệ gen là quy trình tạo ra tế bào hoặc sinh vật có hệ gen bị biến đổi hoặc có thêm gen mới.
• Kỹ thuật chuyển gen [kỹ thuật tạo ADN tái tổ hợp] đóng vai trò trung tâm của công nghệ gen.

2. Quy trình chuyển gen

• Bước 1: Tạo ADN tái tổ hợp.
• Bước 2: Chuyển ADN tái tổ hợp vào tế bào nhận.
• Bước 3: Phân lập dòng tế bào chứa ADN tái tổ hợp.

2.1. Tạo ADN tái tổ hợp

• Bước 1: Cắt gen cần chuyển và plasmit của vi khuẩn bằng enzim cắt [restrictaza].
• Bước 2: Nối gen cần chuyển và plasmit bằng enzim nối ligaza → ADN tái tổ hợp.

* Lưu ý:

• Gen cần chuyển là gen cần chuyển từ sinh vật này sang sinh vật khác.
• Plasmit là phân tử ADN dạng vòng, có trong tế bào chất của vi khuẩn, có khả năng nhân đôi độc lập với ADN của vi khuẩn.
• Thể truyền là vật thể truyền gen từ sinh vật này sang sinh vật khác, có thể là plasmit, phagơ hoặc NST nhân tạo... Đặc điểm của thể truyền: Có khả năng nhân đôi độc lập hoặc có khả năng gắn vào hệ gen của tế bào nhận.
• Enzim cắt [restrictaza] cắt các phân tử ADN và tạo thành các đầu dính.

2.2. Chuyển ADN tái tổ hợp vào tế bào nhận

• Trong trường hợp gen cần chuyển được sử dụng để tạo ra lượng lớn sản phẩm thì người ta thường dùng E.Coli làm tế bào nhận.
  • Ưu điểm: Dễ nuôi cấy, sinh sản nhanh, đẽ phân lập.
• Phương pháp biến nạp: sử dụng muối CaCl2 và xung điện cao áp khoảng 5000V làm giãn màng sinh chất của tế bào nhận.
• Phương pháp tải nạp: Sử dụng phagơ, xâm nhập vào tế bào vi khuẩn.
• Ngoài ra còn sử dụng súng bắn gen, vi kim tiêm...

2.3. Phân lập dòng tế bào chứa ADN tái tổ hợp

Thường sử dụng thể truyền có gen đánh dấu [gen phát sáng, gen kháng sinh...]

3. Thành tựu của công nghệ gen

• Thành tựu nổi bật:
  • Giúp tái tổ hợp vật chất di truyền của các loài rất xa nhau trong bậc thang tiến hóa. 
  • Tạo ra sinh vật biến đổi gen.
  • Sinh vật biến đổi gen là sinh vật được con người làm biến đổi hệ gen đê phục vụ cho mục đích của con người.
• Phương pháp:
  • Làm biến đổi một gen có sẵn trong hệ gen
  • Làm cho sinh cật có thêm gen mới
  • Làm bất hoạt một gen

3.1. Tạo giống động vật chuyển gen

a. Mục đích

• Tạo ra các giống động vật có năng suất và chất lượng cao hơn.
• Tạo ra các giống động vật có thể cho sản phẩm dùng để chữa bệnh cho con người hoặc phục vụ cho nhu cầu của con người.

b. Phương pháp

• Phương pháp phổ biến là sử dụng vi kim tiêm để đưa gen cần chuyển vào hợp tử ở giai đoạn nhân non. [đây là giai đoạn nhân của trứng và nhân của tinh trùng chưa hòa hợp thành một 
• Phương pháp khác: Đưa gen cần chuyển vào tinh trùng ở động vật sau đó cho thụ tinh trong ống nghiệm tạo thành hợp tử.

c. Một số thành tựu

• Tạo ra giống cừu sản xuất sữa có huyết thanh của con người và tách chiết huyết thanh để điều trị bệnh.
• Tạo ra giống bò sản xuất sữa có r - protein để sản xuất protein C dùng để chữa bệnh máu vón cục gây tắc mạch.

3.2. Một số thành tựu trong qua trình tạo giống thực vật chuyển gen

a. Mục đích

• Tạo ra các giống cây trồng có năng suất về hàm lượng tinh bột, đường... cao hơn.
• Tạo ra các giống cây trồng cho sản phẩm phục vụ lợi ích của con người như kháng thể, chất dẻo...
• Rút ngắn thời gian tạo giống.

b. Phương pháp chuyển gen 

• Chuyển gen bằng plasmit, bằng virut như virut khảm thuốc lá.
• Sử dụng vi kim tiêm đối với tế bào trần.
• Sử dụng biện pháp chuyển gen vào ống phấn...

c. Một số thành tựu

• Tạo giống cà chua có gen tạo etylen bị bất hoạt.
• Tạo giống lúa gạo vàng có mang gen tổng hợp ß - caroten.
• Tạo giống cà chua tím có mang gen tổng hợp Anto cianin là chất làm chậm quá trình ung thư.
• Tạo giống đu đủ kháng virut...

4. Tạo giống vi sinh vật chuyển gen

4.1. Mục đích

Tạo ra các giống vi sinh vật có khả năng sản xuất ra các sản phẩm phục vụ lợi ích con người.

4.2. Phương pháp

• Đối với vi khuẩn: Sử dụng plasmit làm thể truyền.
• Đối với sinh vật nhân thực có thể sử dụng NST nhân tạo.

4.3. Một số thành tựu

• Tạo chủng vi khuẩn E.Coli có mang gen tổng hợp insulin ở người.
• Tạo ra chủng vi khuẩn E.Coli có mang gen tổng hợp somatostatin.

ỨNG DỤNG DI TRUYỀN HỌC

TẠO GIỐNG BẰNG CÔNG NGHỆ GEN

I. KHÁI NIỆM CÔNG NGHỆ GEN

- Công nghệ gen là quy trình tạo ra những tế bào hoặc sinh vật có gen bị biến đổi hoặc có thêm gen mới.

- Kỹ thuật chuyển gen là kỹ thuật tạo ADN tái tổ hợp để chuyển gen từ tế bào này sang tế bào khác. Kỹ thuật chuyển gen đóng vai trò trung tâm của công nghệ gen.

- Quy trình kỹ thuật chuyển gen: gồm 3 bước:

1. Tạo ADN tái tổ hợp
2. Đưa ADN tái tổ hợp vào trong tế bào nhận
3. Phân lập dòng tế bào chứa ADN tái tổ hợp.

1. Tạo ADN tái tổ hợp

- Thành phần tham gia:

• Tế bào cho: là những tế bào chứa gen cần chuyển [vi khuẩn, thực vật, động vật].
• Gen cần chuyển: các gen quy định những đặc tính mong muốn hay mang những đặc điểm mong muốn, ví dụ gen quy định tổng hợp insulin ở người, gen quy định tính kháng thuốc diệt cỏ,...
• Tế bào nhận: vi khuẩn, tế bào thực vật [tế bào chồi, mầm], tế bào động vật [như tế bào trứng, phôi]
• Enzyme: gồm enzym cắt giới hạn và enzyme nối
• Enzyme cắt giới hạn [restrictaza], cắt hai mạch đơn của phân tử ADN ở những vị trí nucleotid xác định.
• Enzyme nối:  [ligaza], tạo liên kết phosphodieste làm liền mạch ADN, tạo ADN tái tổ hợp.
• Thể truyền [véc tơ chuyển gen]: là một phân tử ADN đặc biệt có vai trò như phương tiện để đưa gen từ tế bào này sang tế bào khác. Thể truyền có đặc điểm: có khả năng nhân đôi một cách độc lập với hệ gen của tế bào và cũng có thể gắn vào hệ gen của tế bào, do vậy giúp gen cần chuyển có thể biểu hiện trong tế bào chủ. Thể truyền có thể là plasmit, virut, thực khuẩn thể hay NST nhân tạo,... Plasmit là các ADN nhỏ dạng vòng, thường có trong tế bào chất của nhiều loài vi khuẩn. Plasmit có khả năng nhân đôi độc lập với hệ gen tế bào và có nhiều bản sao trong một tế bào.

- ADN tái tổ hợp là một phân tử ADN nhỏ được lắp ráp từ các đoạn ADN lấy từ các tế bào khác nhau. Trong kỹ thuật chuyển gen, ADN tái tổ hợp được tạo ra bằng việc lắp ráp Gen cần chuyển vào Thể truyền.

- Gen cần chuyển và thể truyền có thể được thu nhận theo các cách:

• Tách các đoạn ADN từ bộ gen.
• Tổng hợp bằng phương pháp hóa học.
• Sinh tổng hợp gen từ mARN tương ứng, dựa vào quá trình phiên mã ngược.

=> Để tạo ra ADN tái tổ hợp cần:

• Tách chiết được gen cần chuyển và thể truyền ra khỏi tế bào,
• Sau đó xử lý bằng cùng loại enzym giới hạn [restrictaza] để tạo ra đầu cắt [đầu dính] có thể khớp nối các đoạn ADN với nhau
• Cuối cùng dùng enzim ADN ligaza để gắn lại thành ADN tái tổ hợp.

2. Đưa ADN tái tổ hợp vào trong tế bào nhận

- Có 2 phương pháp: Biến nạp và Tải nạp.

• Phương pháp biến nạp: dùng muối CaCl2 hoặc xung điện để làm giãn các lỗ màng sinh chất của tế bào => các phân tử ADN tái tổ hợp có thể chui qua được vào trong tế bào.
• Phương pháp tải nạp: dùng thể truyền là virut hoặc thực khuẩn thể lây nhiễm tế bào vật chủ [vi khuẩn] để chúng mang gen cần chuyển xâm nhập vào vật chủ và gắn gen cần chuyển vào hệ gen của tế bào vật chủ.

3. Phân lập dòng tế bào chứa ADN tái tổ hợp.

- Để nhận biết được tế bào nhận có nhận được ADN tái tổ hợp hay không người ta thường chọn thể truyền có các dấu chuẩn hoặc gen đánh dấu. Gen đánh dấu có thể là gen kháng kháng sinh hoặc quy định một đặc tính nào đó có thể nhận biết được.

- Ví dụ tế bào nhận là loại tế bào mẫn cảm với thuốc kháng sinh. Khi thiết kế ADN tái tổ hợp trên thể truyền có gen kháng kháng sinh. Sau khi chuyển ADN tái tổ hợp vào tế bào nhận, tế bào nhận được nuôi cấy trên môi trường có thuốc kháng sinh, chỉ có tế bào nào mà chứa ADN tái tổ hợp mới có thể phát triển được. Dòng tế bào này sẽ được nuôi cấy để sản xuất ra sản phâm rmong muốn.

II. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GEN TRONG TẠO GIỐNG BIẾN ĐỔI GEN

1. Khái niệm sinh vật biến đổi gen

-Sinh vật biến đổi gen là sinh vật mà hệ gen của nó đã được con người làm biến đổi cho phù hợp với lợi ích của mình.

- Có thể biến đổi hệ gen của sinh vật theo 3 cách:

• Đưa thêm một gen lạ [thường là gen của một loài khác] vào hệ gen => sinh vật chuyển gen.
• Làm biến đổi một gen đã có sẵn trong hệ gen. Một gen nào đó của sinh vật có thể được làm biến đổi cho nó sản xuất nhiều sản phẩm hơn hoặc làm cho nó biểu hiện một cách khác thường [biểu hiện ở những mô mà bình thường nó không biểu hiện.
• Loại bỏ hoặc làm bất hoạt một gen nào đó trong hệ gen. Ví dụ làm bất hoạt gen làm chín quả ở cà chua giúp cà chua lâu chín để có thể vận chuyển đi xa.

2. Một số thành tựu tạo giống biến đổi gen

a. Tạo động vật chuyển gen

- Sử dụng công nghệ gen để tạo ra những giống động vật mới có năng suất, chất lượng sản phẩm cao hơn, đặc biệt là tạo động vật chuyển gen có thể sản xuất ra thuốc chữa bệnh cho con người.

- Phương pháp thông dụng nhất là Vi tiêm: Trứng của vật nuôi được thụ tinh trong ống nghiệm, Gen cần chuyển được tiêm vào hợp tử ở giai đoạn nhân non [giai đoạn mà nhân của trứng và tinh trùng chưa hoa hợp]. Nuôi nhân tạo cho hợp tử phát triển thành phôi rồi mới chuyển phôi vào cơ thể mang thai và sinh con. Thành tựu: Chuyển gen quy định tổng hợp hoocmon sinh trưởng của chuột cống vào cơ thể chuột bạch => chuột chuyển gen có khối lượng gần gấp đôi chuột bình thường.

- Phương pháp cấy nhân có gen đã cải biến. Thành tựu: Tạo giống cừu, bò sản xuất protein của người: ADN tái tổ hợp mang gen qua định protein của người được chuyển vào tế bào xoma của cừu. Tế bào xoma được nuôi cấy, chọn lọc, nhân dòng tế bào chuyển gen, sau đó chuyển vào tế bào trứng đã bị loại bỏ nhân giống như phương pháp nhân bản vô tính => sinh ra cừu chuyển gen mà sữa cừu có chứa protein huyết thanh của người. Sản phẩm này được chế biến thành thuốc chống u xơ nang và một số bệnh về đường hô hấp. Tạo ra bò cho sữa chứa r-protein của người. Từ sữa này chế biến ra protein C chữa bệnh máu vón cụ gây tắc mạch ở người.

- Phương pháp sử dụng tinh trùng như vectơ mang gen.

b. Tạo giống cây trồng biến đổi gen

- Tạo giống bằng công nghệ gen mở ra nhiều ứng dụng trong trồng trọt: năng suất tăng cao, phẩm chất tốt, thời gian tạo giống mới rút ngắn. Đến nay đã có hàng ngàn loại thực vật đã được chuyển gen.

- Các phương pháp chuyển gen ở thực vật: bằng T-plasmit; bằng virut [virut đốm thuốc lá], chuyển gen trực tiếp qua ống phấn, kỹ thuật vi tiêm ở tế bào trần, dùng súng bắn gen,... Thành tựu:

• Cà chua có gen làm chín quả bị bất hoạt, cà chua được chuyển gen kháng virut.
• Lúa chuyển gen tổng hợp => -caroten [gạo vàng].
• Cây bông được chuyển gen trừ sâu....

c. Tạo dòng vi sinh vật biến đổi gen

- Tạo chủng vi khuẩn E. coli sản xuất insulin của người: gen tổng hợp insulin được tách ra từ cơ thể người và chuyển vào vi khuẩn E. coli bằng plasmit, sau đó vi khuẩn được nuôi cấy ở quy môi công nghiệp để sản xuất ra insulin giống như cơ thể người với số lượng lớn đáp ứng được nhu cầu thuốc chữa bệnh đái tháo đường cho con người.

- Tạo chủng vi khuẩn E. coli sản xuất somatostatin. Gen mã hóa somatostatin được tổng hợp nhân tạo sau đó chuyển vào vi khuẩn E. coli bằng plasmit và sau đó vi khuẩn được nuôi cấy ở quy môi công nghiệp để sản xuất ra somatostatin. Trước đây để lấy chất này cần phải tách chiết từ não cừu với lượng thu được rất ít.

- Hiện nay nhiều dòng ví sinh vật biến đổi gen được tạo ra nhằm phụ vụ nhiều mục đích khác nhau của con người trong đó có việc làm sạch môi trường như phân hủy rác thải, dầu loang,...