LỜI NÓI ĐẦU CHO LẦN XUẤT BẢN THỨ NHẤT Công nghệ sinh học phân tử hình thành như một lĩnh vực nghiên cứu mới do kết quả phối hợp kỹ thuật ADN tái tổ hợp vào cuối những năm 1970 với vi sin
Trang 1NGUYEN hs VA UNG DUNG CUA
“ ADN TAI TO HOP
NHA XUAT BAN KHOA HOC VA KY THUAT
Trang 2CONG NGHE SINH HOC PHAN TU
Nguyên lý và ứng dụng của ADN tái tổ hợp
Trang 3Dịch từ nguyên bản tiếng Anh:
Department of Biology, University of Waterloo
Waterloo, Ontario, Canada
Copyright © 2003 by ASM Press All rights reserved Translated and published by
arrangement with ASM Press, Washington, D.C; USA
fl mT
WASHINGTON, D.C.
Trang 4của ADN tái tổ hợp
&
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2007
Trang 5In 700 cuổn, khổ 19x26,5em, tại Nhà in Hà Nội - Công ty Sách Hờ Nội 67 Phó Đức Chính - Ba Đình -
Hà Nội, Quyết định xuất bản số: 136-2006/CXB/147-06/KHKT, ngày 15/02/2006 Số in: 19/2 In xong
và nộp lưu chiểu tháng 1 năm 2007
Trang 6Tang Marcia, vi la Marcia
BRG
Để nhớ tới Albert va Jennie Pasternak
va cdc chat, Madelaine, Miranda, Nina, va Maya
JP
Trang 7Muc luc
LỜI GIỚI THIỆU XVIt
LỜI NÓI ĐẦU XIX
LỜI NÓI ĐẦU CHO LẦN XUẤT BẢN THỨ NHẤT XXI
1 NHUNG VAN DE NEN TANG CUA CÔNG NGHỆ SINH HỌC PHÂNTỬ 1
1 CUỘC CÁCH MẠNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC PHÂN TỬ 2
Gông nghệ ADN tái tổ hợp 2
Sự xuất hiện của công nghệ sinh học phân tử 5
Sự thương mại hoá công nghệ sinh học phân tử 9
Những vấn đề quan tâm và hậu quả 11
TÓM TẮT 13
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 14
CÂU HỎI ÔN TẬP _ 15
2 CAC HE THONG SINH HOC DUNG TRONG CONG NGHE SINH HỌC PHÂN TỬ
Sinh vật nhân sơ và sinh vật nhãn chuẩn 16
Escherichia coli 17
Saccharomyces cerevisiae 18
Các con đường tiết ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhãn chuẩn 20
Tế bào sinh vật nhân chuẩn trong môi trường nuôi cấy 24
TÓM TẮT 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 25
CÂU HỘI ÔN TẬP 25
3 TỔNG HỢP ADN, ARN VÀ PROTEIN 26
Cấu trúc củaADN 27
SaochépADN 31
Giải mã thông tin di truyền: ARN và protein 33
Dichma 39
Điều hoà phiên mã ARNt ở vi khuẩn 44
Điều hoà phiên mã ARNIt ở sinh vật nhân chuẩn — 47
TÔM TẮT 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO 52
CÂU HỒI ÔN TẬP 53
4 CÔNG NGHỆ ADN TÁI TỔ HỢP_ 54
Endonucleaza giới hạn 56
Các vectơ nhan déngplasmit 65
Vectơ nhân dòng plasmitpBR322 66
Biến nạp và chọn lọc — 69
Các vectơ nhân dòng plasmit khác — 70
Tạo và sàng lọc thư viện 74
16
Vii
Trang 8Tạo một thư viện gen 74
Sang loc bing laiADN 77
Các hệ thống vectơ vi khuẩn có khả năng dụng nạp cao — 98
Biến nạp di truyền của các sinh vật nhân sơ — 98
Chuyển ADN vào E coli 98
Tạo lỗ bằng điện 99
Tiếphợp 100
TOMTAT 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 102
CÂU HỎI ÔN TẬP 103
5, TỔNG HỢP HÓA HỌC, GIẢI TRÌNH TỰ, VẢ NHÂN BỘI ADN 105
Tổng hợp hóa họcADN 106
Phương pháp phosphoramiỏit 106
Sử dụng các oligonucleotit tổng hợp _ 112
Các kỹ thuật giải trình tự ADN 149
Quy trình đìđeoxynucleotit để giải trình tự ADN _ 120
Giải trình tự ADN tự động 124
Sử dụng thực khuẩn thể M13 làm vectơ giải trinh lự ADN 125
Kéo dài bằng mổi 128
PCR 129
Tổng hợp gen bằngPCR 134
Giải trình tự chu kỳ 137
TÓMTẮT 138
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 139
CÂU HỒI ÔN TẬP 140
6 THAO TAC BIEU HIEN GEN G CAC SINH VATNHANSO 141
viii
Biểu hiện gen từ các promoto mạnh và có thể điểu chỉnh 142
Các promoto có thể điều khiển 143
Xếp liên tiếp các gen theo một hướng 1589
Các vactd biểu hiện dịchmã 162
Trang 9Cải nhập ADN vào nhiễm sắc thể chủ 170
Loại bỏ các gen đánh dấu chọn lọc _ 174
Tăng bài tiết 175
Vi khuẩn dạngL 178
Gánh nặng trao đổi chất 180
TÓMTẮT 184
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 185
CÂU HÔI ÔNTẬP 189
7 SAN XUAT PROTEIN DI CHUNG TRONG CAC TE BAO NHAN CHUAN 191
Các hệ thống biểu hiện trong Saccharomyces cerevisiae 195
Cac vects S cerevisiae 196
San xuat ndi bao cdc protein di chiing 6 S cerevisiae 200
Tiết các protein dị chủng bởi S cerevisiae 202
Pichia pastoris và các hệ thống biêu hiện nấm men khác 203
Hệ thống biểu hiện baculovirut-tế bảo côn trùng 208
Hệ thống vectø biểu hiện baculovirut 207
Tăng sẵn lượng baeulovirut tái tổ hợp _ 209
Thiết kế một veetơ con thoi baculovirut E coli-té bao con tring 212
Glycosyt hóa và xử lý các tiển chất protein động vật có vú trong các tế bào côn trùng «214 Các hệ thống biểu hiện trong tế bào động vật có vú - 214
Các hệ thống đánh dấu chọn lọc cho các vectơ biểu hiện trong động vật có vú _ 219
TÓMTẮT 221
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 222
CAUHOION TAP 225
8 ĐỘT BIẾN ĐỊNH HƯỚNG VÀ KỸ THUẬT PROTEIN 2268
Các quy trình đột biến định hướng _ 227
Đột biến định hướng oligonucleofit với ADN M13 228
Đột biến định hướng oligonucleotit với ADN plasmil 231
Nhân bội đột biến định hướng oligonucleotit bằng PCR_ 233
Đội biển ngẫu nhiên với các mỗi oligonucleotit suy biển _ 235
Đột biển ngẫu nhiên với các nucleotit tương tự 237
PCRiI 240
Ghép tổ hợp các đoạn ADN 241
Protein đột biển với các axit amin không bình thường _ 242
Cải biến protein 243
Bổ sung cầu đisufua 244
Dùng các axit amin khác thay cho asparagin 247
Giảm số gốc sulfhyđryi tự do 248
Tăng hoạt tính enzym 249
Thay đổi các yêu cầu về đồng nhân tố kim loại 251
Giảm sự nhạy cẩm với proteaza 253
Thay đổi tính đặc hiệu của protein 254
Tăng độ bền và tính đặc hiệu của enzym 257
Thay đổi nhiều tính chất _ 258
TÓMTẮT 260
TÀI LIỆU THAM KHẢO 261
CÂU HỎI ÔN TẬP 262
Trang 10Il CONG NGHE SINH HOC PHAN TU CUA CAC HE THONG VISINH VAT 265
9 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN PHÂN TỬ _ 266
Các quy trình chẩn đoán miễn dịch 268
Phép thử hấp phụ miễn dịch liên kết enzym 268
Kháng thể đơn dòng 270
Tao va chon loc té bao lai 271
Xác định dòng tế bào lai sinh khang thé dic higu 272
Các hệ thống chẩn đoán ADN 274
Mẫu dò lại 275
Chẩn đoán bệnh sốt rét - 276
Phat hién Trypanosoma cruzi 277
Quy trình lai không phóng xạ _ 278
Đèn hiệu phân tử _ 280
Xác định dấu van tay ADN 282
Nhân bội ngẫu nhiên các đoạn ADN đa hình 284
Thể cảm biến sinh học vi khuẩn 286
Chẩn đoán phân tử các bệnh di truyền 287
Sang loc bénh xd nang 288
Thiểu máu tế bào hình liểm 288
Quy trình PCR/OLA 289
Mẫu dò khóa 281
Xác định kiểu gen bằng các mổi PCR đánh dấu huỳnh quang 293
TOMTAT 284
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 295
CÂU HÔI ÔN TẬP _ 296
10 CÁC CHẤT ĐIỂU TRỊ 298
Các dược phẩm 301
Phân lập ADNbs của interferon 301
Các inteferon người 302
Homnon tăng trưởng của người _ 303
Yếu tố alpha gây hoại tử khốiu _ 304
Tối ưu hoa sự biểu hiện gen _ 305
Các tác nhân trị bệnh được sản xuất và chuyển giao bởi vi khuẩn đường ruột _ 306
Kháng thể đơn dòng liên kết hoá học - 316
Kháng thể đơn dòng của người _ 317
Kháng thể đơn dòng lai của người và chuột _ 319
Sản xuất kháng thể ở E coli 322
Các thự viện tổ hợp của thực khuẩn thể 322
Ghép tổ hợp các trình lựCDR 326
Trang 11Kháng thể chuỗi đơn 326
Axit nucleic ding làm chất điều trị - 330
ARN đối nghĩa 330
Oligonueleotit đối nghĩa 331
Các ribozym 334
Các phân tử khảm ADN-ARN 336
Cac ARN gay nhiéu 339
Các gen kháng thé 339
Điều trị các rối loạn di truyền _ 340
Liệu pháp gen người 345
Liệu pháp kích hoạt tiền chất thuốc 350
TOMTAT 352
TÀI LIỆU THAM KHẢO 353
CÂU HỎI ÔN TẬP 357
11 VACXIN 359
Vacxin tiểu đơn vị - 362
Virut hecpet don hinh 363
Cac loai Salmonella 376
Cac loai Leishmania 377
Virut hecpet đơn hình 378
Vacxin vectd 379
Vacxin định hướng chống virut 379
Vacxin định hướng chống vi khuẩn 384
Vĩ khuẩn dùng làm hệ thống chuyển giao khang nguyén 386
TÓM TẤT 388
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 389
CÂU HỘI ÔN TẬP 392
12 TỔNG HỢP CÁC SẢN PHẨM THƯƠNG MẠI BẰNG VI SINH VẬT TÁI TỔ HỢP
Cải biến các kháng sinh polyketit 416
Cải tiến quá trình sẵn xuất kháng sinh _ 420
Các kháng sinh peptit 422
Các polyme sinh học 422
Cải bién Xanthomonas campestris để san xuat gsm xantan 423
Phân lập gen sinh tổng hgp melanin 425
Tổng hợp polyme sinh học keo động vật ở tế bảo vi sinh vật 426
393
XI
Trang 12Tổng hợp cao su bằng vi sinh vật 428
Sản xuất các polyhyđroxyalkanoat bằng vi sinh vật 428 TOMTAT 430
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 430
CÂU HỎI ÔN TẬP 433
13 SINH HỌC CHỐNG Ô NHIỄM VÀ SỬ DỤNG SINH KHỔỐI_ 435
Phân hủy vi sinh các chất phi sinhhọc 436
Cải biến gen các con đường phần hủy sinh học 441
Biến đổi bằng chuyển plasmit 442
Biến đổi bằng cách thay đổi gen — 443
Sử dụng tinh bột và các loại đường — 451
Sẵn xuất thương mại fructoza và alcohol _ 452
Cải tiến sẵn xuất alcohol 454
Cải tiến sản xuất fructoza 457
Zymomonas mobilis 460
Lên men silô 464
Sử dụng xenluloza 485
Thành phần của lignoxenluloza 466
Phân lập các gen xenlulaza của sinh vật nhàn sơ 468
Phân lập các gen xenlulaza sinh vật nhân chuẩn 472
Cải biến các gen xenlulaza 473
Cải biến gen của chùm gen nilrogenaza 485
Các thể đột biến glycogen synthaza 491
Cải biến mức oxy _ 492
Hydrogenaza 493
Chuyển hoáhyđro 493
Cải biến gen các gen hyđrogenaza 495
Tạo nốt sẩn 496
Sự cạnh tranh giữa các sinh vật tạo nốt sẩn _ 496
Cải biến gen các gen tạo nổi sẩn 497
Thúc đẩy sinh trưởng bằng vi khuẩn sống tựdo 502
Giảm stress cho cây - 505
Trang 13CÂU HỎIÔNTẬP 523
15 THUỐC TRỪ SÂU VI SINH _ 525
Độc tố trừ sâu của B thuringiensis _ 526
Cơ chế hoạt động và cách sử dụng - 526
Phân lập gen độc tố 531
Cải biến các gen độc tố của B thuringiensis — 532
Ngăn chặn sự phát triển tính kháng thuốc _ 542
Cải biến gen để cải thiện sự kiểm soát sinh học - 544
Dùng baculovirut làm tác nhân kiểm soátsinhhọc 545
16 SAN XUẤT PROTEIN QUY MÔ LỚN TỪ VỊ SINH VẬT TÁI TỔHỢP_ 554
Các nguyên tắc nuôi vi sinh vật - 556
Lên men theo mê 557
Lên men theo mẻ có bổ sung 559
Lên men liên tục _ 880
Tăng tối đa hiệu quả của quá trình lên men 561
Nuôi cấy tế bào mật độ cao - 564
Lò phản ứng sinh học - 565
Các hệ thống lên men quy mô lớn điển hình 568
Lên men hai giai đoạn trong các lò phản ứng khi nén nổi tiếp nhau — 570
Lên men hai giai đoạn trong lò phân ứng bể khuấy đơn _ 572
tên men theo mẻ so với lên men theo mê có bổ sung — 573
Thu hoạch các tế bào vi sinh vật 576
Phá vỡ các tế bào ví sinh vật - 578
Chế biến sản phẩm sau lênmen 580
Hoà tan protein 582
Sản xuất quy mô lớn ADN plasmit 582
TOMTAT 883
TÀI LIỆU THAM KHẢO 584
CÂU HỎI ÔN TẬP 586
lll CAC HE THONG NHAN CHUAN 587
+7 CẢI BIẾN GEN THYC VAT: PHUGNG PHAP LUAN 588
Biến nạp thực vật với plasmit Tì của Agrobacterium tumefaciens 589
Các hệ vectd có nguồn gốc từ plasmitTi 593
Các phương pháp vật lý chuyển gen vào thực vật - 897
Bắn vi đạn 599
Sử dụng gen chỉ thị ở các tế bào thực vật biến nạp — 601
Điều khiển sự biểu hiện gen ở thực vật _ 803
Phân lập và sử dụng các promoto khac nhau 604
Các thay đổi có chủ đích ở ADN thực vậi _ 605
Các thay đổi có chủ đích ở ARN thực vật 608
Đưa ADN ngoại lai vào bộ gen lục lạp — 607
xiii
Trang 14Sự tiết protein ngoại lai 610
Sản xuất thực vật chuyển gen không có gen đánh dấu 611
Loại bỏ gen đánh dấu khỏi ADN nhân _ 612
Loại bổ gen đánh dấu khối ADN lục lạp _ 613
TÓM TẤT 614
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 615
CÂU HỘI ÔN TẬP 617
18 CẢI BIẾN GEN THỰC VẬT: CÁC ỨNG DỤNG 686
Phát triển cây kháng sâu, bệnh và thuốc diệt cổ 620 Cây kháng sâu 620
Chín quả và héo hoa 648
Biến đổi di truyền sự tạo sắc tốhoa 651
Cải biến hàm lượng chất dinh dưỡng của cây 654
Protein ngoai lai ở thực vật 671
Vacxin ăn được - 672
Năng suất câytrổng 675
Tăng hàm lượng sắt 675
Thay đổi hàm lượng lignin 676
Tăng hàm lượng oxy 677
TÔM TẤT 678
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 679
CÂU HỘI ÔN TẬP 684
19 ĐỘNG VẶT CHUYỂN GEN 686
xiv
Chuột chuyển gen: Phương pháp luận 688
Phương pháp vectơ retrovirul 688
Phương pháp ví tiêm ADN _ 690
Phương pháp cải biển tế bào gốc phôi _ 692
Biến đổi gen bằng hệ tái tổ hợp Cre-loxP _ 697
Chuyển gen với các vectơ dung lượng lớn 700
Chuột chuyển gen: Những ứng dụng 703
Mô hình chuyển gen cho bệnh Alzheimer 704
Trang 15Sử dụng chuột chuyển gen làm các hệ thống thử nghiệm 708
Điều hòa có điều kiện sự biểu hiện gen 708
Kiểm soát điều kiện chết tế bào - 711
Nhân bản gia súc bằng cấy chuyển nhân 712
Bò, cừu, đê và lợn chuyển gen 713
Chim chuyển gen 720
Cá chuyển gen 722
TÓM TẮT 726
TÀI LIỆU THAM KHẢO 727
CÂU HỘI ÔN TẬP 731
20 DI TRUYỀN PHÂN TỬ NGƯỜI _ 732
Các phương thức di truyền ở người 734
Sự liên kết gen và sự lập bản đồ gen 738
Phát hiện và đánh giá sự liên kết gen ở người _ 739
Lập bản đổ di truyền các nhiễm sắc thể người 744
Sự đa dạng di truyền — 744
Sự đa dạng chiều dài các đoạn
Đa dạng các đoạn lặp ngắn nối
Bản đồ đầy đủ về liên kết gen ở người 751
Lap bản đồ vị trí của một locut mang bệnh di truyền trên nhiễm sắc thể 751
Ban dé BAC toàn bộ bộ gen 754
Lập bản đổ lai phóng xạ _ 754
Trinh tự bộ gen người _ 757
Phát hiện đột biến trong gen người 759
Phân tích cẩu hình đơn sợi 759
Điện di gel građien biến tính 760
TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 771
CÂU HỎI ÔN TẬP 772
748
IV QUY ĐỊNH VÀ CẤP BẰNG SÁNG CHẾ CÔNG NGHỆ SINH
HOC PHANTU 775
21 QUY ĐỊNH VE SU DUNG CONG NGHE SINHHOC 776
Quy định về công nghệ ADN tái tổhợp 778
Quy định về thực phẩm và các nguyên liệu thực phẩm 780
Thử nghiệm các GMO khác trên đổng ruộng — 787
Các tranh cãi vềGMO 789
Liệu pháp gen người 794
Phát triển chính sách đổi với liệu pháp gen tế bào soma _ 794
xv
Trang 16Sự tích lũy các gen khiếm khuyết ở các thế hệ tương lai 798
Liệu pháp gen dòng sinh dục ở người 798
Nhân bản người? 799
TÓMTẮT 800
TÀI LIỆU THAM KHẢO 802
CÂU HỎI ÔNTẬP 804
22 CẤP BẰNG SÁNG CHẾ CHO CÁC SÁNG CHẾ CÔNG NGHỆ SINHHỌC _ 805
Cấp bằng sáng chế 806
Cấp bằng sáng chế ở các quốc gia khác nhau 809
Cấp bằng sáng chế cho các trình tự ADN 811
Cấp bằng sáng chế cho sinh vật đa bào - 812
Cấp bằng sáng chế và các nghiên cứu cơ bản 812
TÓMTẮT 814
TÀI LIỆU THAM KHẢO 815
CÂU HỒI ÔN TẬP 816
THUẬNNGỮ 817
Xvi
Trang 17LỜI GIỚI THIỆU
Trên thế giới, cuốn Công nghệ sinh học phân tử: Nguyên lý và ứng dụng của ADN tái
tổ hợp là sách gối đầu giường cho các nhà công nghệ sinh học trẻ nói riêng và các chuyên
gia về công nghệ sinh học hiện đại nói chung, vì bất cứ chuyên gia nào cũng chỉ thật sâu về
chuyên môn hẹp của mình
Thị trường sách công nghệ sinh học Việt Nam hiện khá phong phú về sách viết, có thể
do có chính sách khuyến khích của nhà nước cần có nhiều giáo su và phó giáo sư Tuy
nhiên hoàn toàn thiếu vắng bản dịch trung thực từ những sách nổi tiếng, do các nhà khoa học hàng đầu thể giới biên soạn Giới khoa học thường nói vưi rằng viết sách dễ hơn dịch sách vì khi viết thì có thể bổ qua các khái niệm khó hiểu Trong câu đùa bao giờ cũng có một chút sự thực, có lẽ cái sự thực đó nằm ở con đường gian nan của dịch thuật
Các nhà sinh học Việt Nam có thể tìm thấy trong cuốn sách tất cả các vấn đề hiện đại của công nghệ sinh học, từ vai trò mở đầu và vai trò tối quan trọng của công nghệ vi sinh , tới công nghệ thực vật và động vật Độc giả cũng có thể hiểu được những vấn đề có tầm quan trọng toàn cầu, như cố định đạm không khí và sản xuất glucoza từ xenluloza là các
vấn đề nan giải như thế nào và tại sao công nghệ sinh học dù đã hiện đại cũng chưa giải
quyết triệt để được các vấn đề này
Cuốn sách cũng gợi mở nhiều vấn đề quan trọng đưa tới việc ra đời nhiều sản phẩm cao cấp dùng trong thực phẩm, trong công nghiệp, trong dược phẩm, trong y tế hay trong chống ô nhiễm môi trưởng Vì thế cuốn sách sẽ kích thích trí sáng tạo của thế hệ các nhà công nghệ sinh học trẻ tuổi
Cuối cùng cuốn sách rất hữu ích cho các nhà quản lý, những người hoạch định ra chiến lược khoa học cho công nghệ sinh học Ba chương đầu nêu lên toàn cảnh cuộc cách mạng công nghệ sinh học, những mong muốn của con người, những gì con người đa đạt được nhỡ công nghệ sinh học và những gì đang còn nằm trong trí tưởng tượng, nhưng lại
được phóng đại do nhiệt tình thái quá của thông tin đại chúng Hai chương cuối nói về các kinh nghiệm quản lý công nghệ sinh học, đặc biệt là về y đức và vai trò của bằng phát minh
sáng chế trong sự nghiệp thúc đẩy công nghệ sinh học
Với đúc rút 12 năm kinh nghiệm giảng dạy, cuốn sách được viết với kỹ năng sư phạm
tuyệt vời, dẫn dắt độc giả từ dễ đến khó, với các hình ảnh minh hoạ, với ngôn từ đơn giản Chúng tôi hy vọng rằng chỉ cần đõi chút kiên nhẫn mọi cử nhãn hay kỹ sư sinh học đều có thể tiếp cận được với các vấn để hiện đại nhất và nóng bỏng nhất của công nghệ sinh học hiện đại
Thuật ngữ tiếng Việt là một vấn đề chưa thật thống nhất, chúng tôi cố gắng sử dụng các thuật ngữ đã được dùng phổ biến trong các từ điển do các nhà xuất bản lớn ấn hành,
Tuy nhiên, chắc chắn sẽ còn một số thuật ngữ dùng chưa thật chính xác Ngoài ra, chắc chắn sẽ còn nhiều lỗi trong việc chuyển tải chính xác tiếng Anh sang tiếng Việt, chúng tôi mong được các chuyên gia góp ý để lần tái bản sẽ được hoàn thiện hơn
Thay mặt tập thể dịch giả GS.TS Nguyễn Mộng Hùng
xvii
2.CNSH-A.
Trang 18LO! NOI DAU
Công nghệ sinh học phân tử đã có nhiều thành tựu mới sau lần xuất bản thứ hai của cuốn Công nghệ sinh học phân tử: nguyên lý và ứng dụng của ADN tái tổ hợp vào năm 1998 Do đó, thật cẩn thiết phải có lần xuất bản mới! Công nghệ sinh học phân tử đã không còn là ước muốn rằng kỹ thuật ADN tái tổ hợp sẽ một ngày nào đó cho ra các “hàng hoá và dịch vụ“ đáng giá Bốn năm cuối chứng kiến nhiều sản phẩm của công nghệ sinh học phân tử đã trở thành thường nhật cho y tế, nông nghiệp và công nghiệp Công nghệ sinh học phân tử cuối cùng đã thực hiện được mọi ước
muốn Cùng với sự trưởng thành, những phát triển và các sáng tạo kỹ thuật mới đã được hoàn thiện Trong lần xuất bản này, chúng tôi đã cập nhật tất cả các vấn đề của
Công nghệ sinh học phân tử, mặc đù vẫn giữ lại bộ khung ban đầu Nhiều chương đã được đại tu để phù hợp với các thông tin mới, một số chương được thay bằng các chương khác, thêm nhiều hình mới để minh hoạ cho các quan niệm và nguyên lý mới, và nhiều thí dụ mới đã thay cho những thí dụ của giữa những năm 1990 hay sớm hơn Và, như đã viết trong lời nói đầu cho lần xuất bản trước, chúng tôi đã cố gắng không dùng các thuật ngữ khoa học rối rắm mà vẫn trình bày được tất cả các thông tin mới một các rõ ràng nhất có thể
Chúng tôi đánh giá cao sự trợ giúp và lòng nhiệt thành của ngài Jeff Holtmeier,
giám đốc Nhà xuất bản AMS Chúng tôi cám ơn Mary MecKenney, người đã hiệu đính bản thảo với sự thông hiểu và kỹ năng tuyệt vời Và chúng tôi đặc biệt cám ơn Ken April của Nhà xuất bản AMS, người đã kiên nhẫn đi cùng chúng tôi trong suốt chặng đường, với tính quyết đoán cao nhất, phối hợp các phần rời rạc để tạo nên lần
xuất bản mới này,
XIX
Trang 19LỜI NÓI ĐẦU CHO LẦN XUẤT BẢN THỨ NHẤT
Công nghệ sinh học phân tử hình thành như một lĩnh vực nghiên cứu mới do kết quả phối hợp kỹ thuật ADN tái tổ hợp vào cuối những năm 1970 với vi sinh vật học
công nghiệp truyền thống Dù là ta đi xem phim Công viên kỷ Jura với kịch bản tài tình nhưng không xác thực về khoa học về nhân bản khủng long, đọc trong nhật báo
về thương mại một loại cà chua "công nghệ sinh học” mới, tươi lâu, hoặc nghe bình luận về công nghệ sinh học phân tử về hậu quả thảm khốc có thể có của kỹ thuật gen,
như một cảnh báo công khai về công nghệ ADN tái tổ hợp Trong cuốn sách này,
chúng tôi giới thiệu và giải thích rằng công nghệ sinh học phân tử thực sự là một bộ môn khoa học, nghiên cứu trong lĩnh vực này được tiến hành ra sao, và công nghệ này có ảnh hưởng thực tế như thế nào tới cuộc sống tương lai của chúng ta
Chúng tôi viết Công nghệ sinh học phân tử: Những nguyên lý và ứng dụng của ADN tái tổ hợp để làm sách giáo khoa về công nghệ sinh học, công nghệ ADN tái tổ hợp, kỹ thuật gen, hoặc cho cho bất kỳ giáo trình nào giới thiệu về nguyên lý và ứng
dụng các phương pháp sinh học phân tử hiện đại Cuốn sách này dựa trên giáo trình công nghệ sinh học chúng tôi giảng dạy trong 12 năm gần đây cho các sinh viên năm
cuối và các học viên sau đại học về khoa học công nghệ ở Trường Đại học Tổng hợp
Waterloo Chúng tôi viết giáo trình này cho sinh viên đã có kiến thức cơ sở về hoá sinh học, đi truyền học phân tử, và vi sinh vật học Chúng tôi cũng ý thức được là có thể sinh viên không được trang bị đủ các môn học trên trước khi học công nghệ sinh
học Do vậy, chúng tôi cố gắng triển khai các chủ để bằng các giải thích bao quát hơn trước khi đi sâu và chỉ tiết về sinh học phân tử
Giáo trình này nhấn mạnh là công nghệ ADN tái tổ hợp có thể sử đụng như thế
nào để cho ra các sản phẩm hữu ích khác nhau Chúng tôi sử dụng, ở mọi chỗ có thể,
các kết quả thực nghiệm và các chiến lược phương pháp luận thực tế để minh hoạ các
khái niệm cơ bản, và chúng tôi đã cố gắng thể hiện các ý chính của cách tiến hành
công nghệ sinh học phân tử như một dự án khoa học Những ví dụ mà chúng tôi lựa
chọn—từ khối tài liệu bao la và liên tục phình lớn—như các nghiên cứu mẫu không chỉ minh hoạ cho các quan điểm đặc biệt mà còn cung cấp cho độc giả cơ sở vững chắc để hiểu được các nghiên cứu mới nhất trong các phần chuyên biệt của công nghệ sinh học phân tử Tuy thế, chúng tôi vẫn cho rằng một số thí dụ của chúng tôi
đã không thể cập nhật khi cuốn sách này ra đời, vì công nghệ sinh học phân tử là một
bộ môn biến đổi rất nhanh
Để thuận tiện cho công việc thường ngày, một bộ môn khoa học thường tạo ra
các thuật ngữ và danh pháp chuyên môn Chúng tôi cố gắng giảm tới tối thiểu sự sử dụng các “thổ ngữ” kỹ thuật, và các câu đơn giản quá phóng khoáng nhưng lại mô tả
ngắn gọn một hiện tượng hay quá trình Trong bất kỳ lĩnh vực học thuật nào đều có
các từ đồng ngữ để mô tả một hiện tượng Trong công nghệ sinh học phân tử cũng
xxi
Trang 20vậy, thí dụ như: công nghệ ADN tái tổ hợp, nhân dòng gen và kỹ thuật di truyền, với nghĩa rộng là như nhau Khi một thuật ngữ hay một khái niệm quan trọng xuất
“hiện trong bài lần đầu sẽ được mở ngoặc để cho biết các từ đồng nghĩa hoặc các diễn
đạt tương tự Các thuật ngữ chỉ tiết có thể tìm trong phần Thuật ngữ cuối sách để
giúp độc giả về các thuật ngữ công nghệ sinh học phân tử
Mỗi chương được mở đầu với các để mục và kết thúc với một tóm lược chỉ tiết
và các câu hỏi ôn tập để củng cố kỹ năng suy nghĩ có phê phán của sinh viên Tất cả
ý tưởng cơ bản của cuốn sách được mỉnh hoạ bằng hơn 200 biểu đồ với lòng tin sư
phạm rằng một hình có giá trị bằng một nghìn từ Sau khi giới thiệu Công nghệ sinh
học phân tử như một dự án khoa học và kinh tế trong Chương 1, năm chương sau (từ
2 tới 6) nói về phương pháp công nghệ sinh học phân tử Các chương của Phân 1 như
một bàn đạp để đi hết các phần còn lại của cuốn sách Các chương thuộc Phần II, từ
7 đến 12, cho các thí dụ về công nghệ sinh học phân tử vi sinh vật, bao quát các vấn
để như sản xuất các chất chuyển hoá, vacxin, các chất điều trị, các chất chẩn đoán,
sinh học chống ô nhiễm, sự sử dụng sinh khối, phân bón vi sinh vật, và các thuốc trừ sâu ví sinh vật Chương 13 mô tả các bộ phận then chốt của quá trình lên men quy
mô lớn nhờ các vi sinh vật biến đổi gen (tái tổ hợp) Trong Phần II, chúng tôi nói về công nghệ sinh học phân tử các thực vật và động vật (các Chương 14 và 15) Sự phân
lập các gen gây bệnh ở người bằng công nghệ ADN tái tổ hợp và, mặc dù công việc này cũng chỉ mới bát đầu, các thao tác đi truyền hiện đang dùng để chữa các bệnh ở
người như thế nào trong các Chương 16 và 17 Cuốn sách được kết thúc với vấn để điểu hoà và kiểm soát công nghệ sinh học phân tử và vấn để bằng sáng chế phát minh trong Phan IV
Cần phải nhắc tới một chút về phần tài liệu tham khảo sau mỗi chương Với nhiều chương chúng tôi dựa vào các công trình công bố của các nhà nghiên cứu khác nhau Trong mọi trường hợp, mặc dù không trực tiếp trích dẫn ở trong chương, các bài báo nguyên bản vẫn được ghi vào phần Tham khảo của chương tương ứng Trong một số trường hợp, chúng tôi lấy “chứng chỉ sư phạm” hoặc các dẫn liệu đã trích hoặc diễn đạt theo cách khác từ các nguyên bản Đương nhiên là chứng tôi chịu trách nhiệm về sự bóp méo hoặc sai lệch do sự đơn giản hoá đó, mặc dù chúng tôi tin rằng điều đó không xảy ra Phần tham khảo cũng có chứa các nguồn mà chúng tôi sử dụng theo cách thông thường, như vậy có thể đưa độc giả tiến gần hơn đến các vấn để đặc biệt
Lời cám ơn
Chúng tôi đánh giá cao các nhà khoa học dưới đây đã đọc các phần khác nhau của bản thảo Các nhận xét của các chuyên gia khoa học và các thầy giáo là những giúp đỡ vô giá:
Arthur I Aronson, Truéng Dai hoc Téng hop Purdue; Ronald M Atlas, Truong Dai hoc Téng hop Louisville; Fred Ausubel, Bénh vién da khoa Massachusetts;
xxii
Trang 21David R Benson, Trường Đại học Tổng hợp Connecticut; Jean E Brenchley, Trường Đại học Tổng hợp Quốc gia Pennsylvania; A M Chakrabarty, Trường Đại học Tổng
hợp Hlinois ở Chicago; Stan Gelvin, Trường Đại học Tổng hợp Purdue; Janet H Glaser, Trường Đại học Tổng hợp Hlinois ở Urbana-Champaign; David Gwynne,
Khoa học Thần kinh Cambridge; George D Hegeman, Trường Đại học Tổng hợp
Indiana; James B Kaper, Trường Đại học Tổng hợp Maryland ở Baltimore; Donald
R Lightfoot, Trường Đại học Tổng hợp Washington ở Cheney và Spokane; Cynthia Moore, Trường Đại học Tổng hợp Washington: William E Newton, Trường Đại học
Bách khoa Virginia, Danton H O’Day, Trường Đại học Tổng hợp Toronto ở
Missisauga; Richard D Palmiter, Trường Đại học Tổng hợp Washington; David H
Persing, Phòng khám Mayo; William § Reznikoff, Trường Đại học Tổng hợp Wisconsin, Campbell W Robinson, Trường Đại học Tổng hợp Waterloo, Marc Siegel, Trường Đại học Tổng hợp Waterloo; Aaron 1 Shatkin, Trung tâm Công nghệ sinh học và Y học tiên tiến ở Trường Đại học Tổng hợp Rutgers; Jim Schwartz,
Genentech: Danniel C Stein, Trường Đại học Tổng hợp Maryland ở College Park; Dean A Stetler, Trường Đại học Tổng hợp Kansas; Robert T Vinopat, Trường Đại học Tổng hợp Connecticut
Chúng tôi xin cảm ơn các chuyên viên sau của Nhà xuất bản AMS đã làm việc với cuốn sách: Susan Birch, biên tập viên sản xuất; Ruth Siegal, biên tập viên phát triển; Jodi Simpson, biên tập viên can vé; Susan Schmidler, giám đốc thiết kế và mỹ thuat, Peg Markow 6 Ruttle, Shaw & Wetherill, Inc., giám đốc dự án; các đồ hoạ viên và hoạ sỹ của Network Graphics Cuối cùng chúng tôi xin chân thành cảm on Patrick Fitzgerald, Giám đốc Nhà xuất bản AMS, người, bằng mọi cách có thể, đã giúp đỡ biến các cố gắng ban đầu của chúng tôi thành dạng cuối cùng, chấp nhận được Chúng tôi đánh giá cao niềm khích lệ khi ông kiên nhẫn “khổ hạnh” cùng
chúng tôi
Bernard R Glick
Jack J, Pasternak
xxii
Trang 22Những vốn để nền tủng của công nghệ sinh học phân tử
1 Cuộc cách mạng công nghệ sinh học phân tử
Các hệ thống sinh học dùng trong công nghệ sinh học phân tử
- Tổng hợp ADN, ARN và protein
Công nghệ ADN tái tổ hợp
Hoá tổng hợp, giải trình tự và nhân ADN
Điều khiển sự biểu hiện gen ở các sinh vật nhân sơ
, Sự sản xuất protein khác loại ở các tế bào nhân chuẩn
Sự gây đột biến định hướng và kỹ thuật protein
Công nghệ sinh học phân tử là một ngành khoa học lý thú, có tính cách mạng, dựa trên khả năng các nhà khoa học có thể chuyển những đơn vị thông tin đi truyền
(gen) đặc biệt từ sinh vật này sang sinh vật khác Việc chuyển gen này dựa trên kỹ thuật di truyền (công nghệ ADN tái tổ hợp) Mục đích của công nghệ ADN tái tổ hợp
thường là để tạo ra các sản phẩm hoặc quá trình thương mại hữu ích Phần I này sẽ giới thiệu quan điểm về công nghệ sinh học phân tử, các sinh vật được các nhà công nghệ sinh học phân tử sử đụng một số vấn đề cơ bản của sinh học phân tử và quy
trình của công nghệ ADN tái tổ hợp Các quá trình kỹ thuật quan trọng của một
phòng thí nghiệm công nghệ sinh học phân tử, bao gồm cả quá trình hoá tổng hợp
gen, phản ứng dây chuyển polymeraza (PCR) và việc giải trình tự ADN cũng được
thảo muận ở phần này Ngoài ra, điều quan trọng đối với việc phân lập (nhân dòng) gen là các gen đó phải hoạt dộng hoàn hảo ở sinh vật chủ Để tiến tới mục tiêu đó,
phần này cũng tóm tất các phương pháp nhằm tối ưu hoá sự biểu hiện của các gen
nhân dòng ở cả sinh vật nhân chuẩn và nhân sơ Cuối cùng phần I này cũng đánh giá
các kỹ thuật để biến đổi các gen đã nhân dòng bằng cách tạo ra những thay đổi
nucleotit đặc hiệu (gây đột biến in vitro) nhằm tăng cường đặc tính của protein đích Tập hợp các chương của phần I sẽ cung cấp những vấn để chủ yếu về quan điểm và
kỹ thuật để hiểu rõ việc áp dụng công nghệ sinh học phân tử sẽ được trình bày ở các chương sau
Trang 231
Cuộc cach mang
công nghệ sinh học phân tử
Công nghệ ADN tái tổ hợp
Sự xuất hiện của công nghệ sinh học phân tử
Sự thương mại hoá công nghệ sinh học phân tử
Những vấn đề quan tâm và hậu quả
TÔM TẮT
TAI LIEU THAM KHAO
CÂU HỎI ÔN TẬP
Công nghệ ADN tái tổ hợp
Ngày 14 tháng 10 năm 1980, trong vòng 20 phút bắt đầu phiên giao dịch tại Thị trường Chứng khoán New York, giá cổ phiếu của Công ty Công nghệ Sinh học Genentech tăng từ 35 đôia lên đến 89 đôla Vào thời điểm đó, đây là sự tăng giá nhanh nhất tại thị trường này so với bất kỳ loại cổ phiếu nào khác mới đưa ra thị trường Hôm đó, khi đóng cửa thị trường, cổ phần của Genentech đã đạt giá trị 71,25 dola một cổ phiếu Cuộc đấu giá giành 528.000 cổ phiếu điên loạn tới mức nhiều nhà
đầu tư thậm chí không mua nồi một cổ phiếu
Đây có lẽ là lần đầu tiên một cuộc cách mạng công nghệ lớn được chào đón bởi tiếng chuông rên vang của Thị trường Chứng khoán Tại lần đầu tiên trình làng này,
Genentech là một công ty mới có bốn năm tuổi của Bang California chuyên về cắt
nối gen (gồm kỹ thuật axit đeoxyribonucleic [ADN] tái tổ hợp, kỹ thuật di truyền, chuyển ghép gen, nhân dèag gen) Hai năm trước đó, các nhà khoa học của
Genentech đã tách thành công gen mã hoá insulin ở người và chuyển nó vào thể truyền (vectơ) để có thể duy trì được ở vi khuẩn Escherichia coli Tế bào vi khuẩn
chủ này hoạt động như các nhà máy sinh học để sản sinh hai chuỗi peptit của insulin người mà sau khi kết hợp lại có thể được tỉnh sạch và sử dụng để chữa cho những
người mắc bệnh tiểu đường dị ứng với insulin lợn đang có bán trên thị trường Vào
thập kỷ trước đó, kỳ tích này hoàn toàn không thể có được Tuy nhiên, theo tiêu
chuẩn ngày nay, loại kỹ thuật di truyền này được coi là phổ biến.
Trang 24Sự điên cuồng trong việc tranh mua các cổ phiếu của Genentech có nguyên nhân cả từ sự đánh giá tiểm năng của công nghệ ADN tái tổ hợp cũng như những mơ ước về những khả năng trong tương lai mà loại công nghệ chưa từng thấy này sẽ mang lại Nhiều người cho rằng, công nghệ ADN tái tổ hợp là phiên bản thế kỷ 20 của thần thoại Hy Lạp về sự hưng thịnh của sự thoả mãn mọi nhu cầu về thức ăn và
đồ uống theo yêu cầu của chú nhân Dựa trên sự nhiệt tình thái quá của báo chí và vô tuyến truyền hình, và, tất nhiên, cả sự quảng cáo rất hiệu quả của các nhà buôn bán
cổ phiếu mà những viễn tưởng khoa học đã không còn giới hạn nữa Những loại vi
sinh vật, thực vật và động vật đóng vai trò là các nhà máy sản xuất đã được tưởng
tượng ra Những người mơ mộng tiên đoán rằng, những vi sinh vật được biến đổi cấu trúc di truyền sẽ thay thế phân hoá học và những vi sinh vật khác sẽ ăn được cặn dầu loang: những thực vật kháng với nhiều loại côn trùng và có hàm lượng dinh dưỡng đặc biệt sẽ được tạo ra; vật nuôi sẽ sinh trưởng nhanh hơn, có hiệu quả sử dụng làm thức ăn cao hơn và thịt sẽ có ít mỡ Những người mơ mộng đã tin rằng, khi một đặc điểm sinh học được quy định chỉ bởi một hoặc một vài gen thì những sinh vật có cấu
trúc đi truyền mới sẽ được tạo ra ngay Ngày nay chúng ta thấy rằng, cho dù khi đó
sự cường điệu nhằm mục đích thương mại đã vượt quá hiện thực thì sự quá nhiệt tình
với công nghệ ADN tái tổ hợp vẫn là chưa có cơ sở Trong vòng hai thập kỷ, nhiều tiên đoán nhạy cảm ban đầu đã thành hiện thực Điều đó đã xảy ra như thế nào, nó đã
được thực hiện ra sao và có thể tiên đoán điều gì trong tương lai đối với công nghệ
ADN đái tổ hợp sẽ là những vấn đẻ cơ bản của cuốn sách này
Việc chuyển một đơn vị di truyền hoạt động chức năng (gen) từ sinh vật này sang sinh vật khác đều được thực hiện dựa trên phương pháp do Stanley Cohen và Herbert Boyer xay dung nam 1973 Cohen, Boyer và những nhà khoa học khác đều
hiểu rằng công nghệ ADN tái tổ hợp có nhiều khả năng kỳ điệu Như chính Cohen đã
nhấn mạnh vào thời điểm đó rằng, “có thể đưa vào E, coíi các gen quy định các chức
năng trao đối chất hoặc tổng hợp các chất, ví dụ như các gen tham gia vào quá trình quang hợp hoặc các gen sản sinh các chất kháng sinh vốn chỉ thuộc lớp sinh vật khác”
Một trong những phản ứng đầu tiên đối với công nghệ mới này là lệnh tạm ngừng những thí nghiệm mà người ta cho là có mối nguy hiểm tiểm tàng Lệnh nghiêm cấm này đã được một nhóm các nhà khoa học, kể cả Cohen và Boyer thực
hiện Họ cho rằng, các gen từ hai sinh vật khác nhau phối hợp lại có thể tình cờ sinh
ra một sinh vật mới có những tính chất nguy hiểm và không lường trước được Tuy
nhiên, trong vòng vài năm sau đó, những e sợ này đã giảm bớt khi các nhà khoa học thu được những kinh nghiệm làm việc với kỹ thuật này trong phòng thí nghiệm và những hướng dẫn về an toàn đã được xây dựng đối với việc nghiên cứu ADN tái tổ hợp Sự dừng lại tạm thời một số dự án nghiên cứu ADN tái tổ hợp không làm giảm bớt nhiệt tình đối với kỹ thuật di truyền Thực tế là kỹ thuật mới này tiếp tục nhận được sự chú ý chưa từng thấy của cả xã hội và cộng đồng khoa học
Trang 25
CỘT MỐC
Thiết kế các plasmit vi khuẩn có chức nang sinh hoc in vitro
S.N, COHEN, A.C Y CHANG, H W BOYER va R.B HELLING
Proc Natl Acad Sci USA 70:3240-3244, 1973
Bằng cách chứng minh được thông tín di truyền từ các nguồn khác nhau có thể kết
hợp lại để tạo ra một cấu trúc di truyền mới có khả năng tái bản, nghiên cứu có tính bước
ngoat này của Cohen và những người khác đã thiết lập nên nền tảng cho công nghệ ADN
tái tổ hợp Trong trường hợp nay những thực thể di truyền mới có nguồn gốc từ ADN
ngoài nhiễm sắc thể có khả năng tái bản độc lập được gọi là các plasmit Trong một
nghiên cứu trước đó Cohen và Chang (Proc Natl Acad Sci SA 70:1293-1297 1973)
đã tạo ra được một plasmit nhỏ từ một plasmit kích thước lớn tồn tại trong tự nhiên bằng cách cát plasmit lớn thành những đoạn nhỏ một cách ngẫu nhiên và đưa hỗn hợp các đoạn
đó vào tế bào vật chit 1a £ coli Tinh cd một trong số các đoạn có kích thước bằng khoảng 1/10 kích thước của plasmit ban đầu tồn tại được như một plasmit hoạt động chức nãng
Để tránh sự ngu nhiên và để làm cho thao tác tạo plasmit chắc chắn hơn, Cohen va đồng
nghiệp của ông đã sử dụng enzym giới hạn cắt phân từ ADN ở vị trí đặc hiệu để tạo ra đầu
kéo dài ngắn ở mỗi đầu Các đầu kéo dài ở các đầu cắt của các phân từ ADN được xử lý
bảng enzym giới hạn này có thể kết hợp với các đầu kéo dài của phân tử ADN khác bị cắt bằng cùng loại enzym giới hạn Kết quả là, khi các phân tử ADN từ các nguồn khác nhau được xử lý bằng cùng một loại enzym giới hạn và trộn với nhau thì có thể nình thành các
tổ hợp ADN mới chưa từng tồn tại trước đó Theo cách này, Cohen và những người khác không chỉ đưa gen từ plasmit này vào plasmit khác mà còn cho thấy rằng các gen được đưa vào đã có hoạt tính sinh học Các tác giả hoàn toàn tin tưởng rằng, bằng cách đó họ “có
thể xen một đoạn trình tự đặc hiệu từ nhiễm sắc thể nhân sơ hoặc nhân chuẩn, hoặc từ ADN ngoài nhiễm sắc thể vào plasmit vi khuẩn có khả năng sao chép độc lập” Nói cách
khác bất kỳ gen nào từ bất kỳ sinh vật nào về mặt lý thuyết, cũng có thể được nhân đồng vào plasmit, để rồi sau khi đưa vào tế bào vật chủ nó sẽ được duy trì độc lập, và có thể, sẽ sinh ra protein do gen nhân đòng mã hoá Bằng việc chứng minh tính khả thi của kỹ thuật nhân đồng gen Cohcn và những người khác đã cung cấp cơ sở thực nghiệm cho công nghệ ADN tái tổ hợp, chứng mình rằng plasmit có thể hoạt động như một vectơ để duy trì các gen nhân đồng khuyến khích những người theo đuổi lĩnh vực nghiên cứu này rằng những nghiên cứu của họ sẽ nhanh chóng đưa đến việc phát triển những vectơ tỉnh vi hơn và phát
triển phương pháp nhân dòng gen đồng thời cũng cho thấy, đối với những quan tâm về tính an toàn và đạo đức của những nghiên cứu loại này thì các nhà nghiên cứu có trách nhiệm xây dựng những hướng dẫn chính thức và phải thành lập các cơ quan chính phủ để thiết kế và điều hoà việc nghiên cứu công nghệ ADN tái tổ hợp; ngoài ra nghiên cứu của
họ đã đồng góp to lớn vào việc hình thành nền công nghiệp công nghệ sinh học phân tử
Phương pháp nhân dòng gen của Cohen và Boyer đã là một nghiên cứu nổi tiếng
thế giới Khi quan điểm của họ được công bố thì nhiều nhà nghiên cứu khác ngay lập
tức hiểu rõ giá trị của việc nhân đòng gen Kết quả là, các nhà khoa học đã xây đựng
Trang 26ra rất nhiều quy trình thí nghiệm để xác định, tách, xác định tính chất và sử dụng các gen một cách hiệu quả va đễ đàng hơn Sự phát triển về mặt kỹ thuật này đã có ảnh hưởng quan trọng đến việc phát triển những kiến thức mới ở tất cả các ngành sinh học, kể cả tập tính học động vật, sinh học phát triển, tiến hoá phân tử, sinh học tế bào và đi truyền học người Bên cạnh ảnh hưởng đối với nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ ADN tái tổ hợp còn khởi đầu cho những biến đổi sâu rộng nhất của công
nghệ sinh học
Sự xuất hiện của công nghệ sinh học phân tử
Vào đầu những năm 1970, công nghệ sinh học kinh điển còn là ngành khoa học chưa có tiếng tăm Nghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung vào kỹ thuật hoá học, và
đôi khi là các chương trình vi sinh vật học Theo nghĩa rộng, công nghệ sinh học hiên
quan đến việc sản xuất các sản phẩm thương mại do hoạt động trao đổi chất của vì
sinh vật tạo ra Nói một cách chính thức hơn, công nghệ sinh học có thể được định
nghĩa là “sự áp dụng các nguyên lý khoa học và kỹ thuật đối với việc chế biến nguyên liệu bởi các tác nhân sinh học để cung cấp hàng hoá và dịch vụ” Như vậy, theo quan điểm lịch sử, công nghệ sinh học có từ khi nấm men lần đầu tiên được sử dung để lên men bia và khi vi khuẩn lần đầu tiên được sử dụng làm sữa chua
Thuật ngữ “công nghệ sinh hoc” (biotechnology) duge tao ra nam 1917 bởi một
kỹ sư người Hungari là Karl Ereky để mô tả một quá trình tổng hợp sản xuất thịt lợn
ở quy mô lớn bằng việc sử dụng củ cải đường làm nguồn thức ăn Theo lreky, công nghệ sinh học là “toàn bộ dây chuyển sản xuất, nhờ đó các sản phẩm được tạo ra từ vật liệu thô nhờ các sinh vật sống” Định nghĩa khá chính xác này ít nhiều đã bị bỏ
qua Nhiều năm qua, thuật ngữ công nghệ sinh học được dùng để mô tả hai nguyên
lý kỹ thuật rất khác nhau Một mặt, nó nói đến sự lên men ở quy mô công nghiệp, mặt khác nó được dùng để chỉ việc nghiên cứu hiệu suất ở công xưởng—cái mà ngày nay gọi là khoa học nghiên cứu về lao động Tình trạng mơ hồ này kết thúc vào năm
1961 khi nhà vi sinh vật học người Thuy Điển Carl Göran Hedén cho rằng, tên của tạp chí khoa học đành đăng các nghiên cứu trong lĩnh vực vi sinh vật học ứng dụng
và sự lên men công nghiệp cần đổi từ Journal oƒ Microbiology and Biochemical Engineering and Technology thành Biotechnology and Bioengineering Từ thời điểm
đó, công nghệ sinh học có mối liên quan rõ ràng và không thay đổi với việc nghiên cứu “sự sản xuất hàng hoá và dịch vụ ở quy mô công nghiệp nhờ việc sử dụng sinh
vật, các hệ thống sinh học và các quá trình sinh học” Và, từ đó, công nghệ sinh học
có nền tảng chắc chắn dựa trên kinh nghiệm nghiên cứu vi sinh vật học, hoá sinh học
Trang 276
các lò phản ứng sinh học lớn (thường có dung tích hơn 100 lít) để sản xuất
(chuyển hoá) các hợp chất mong muốn, những hợp chất đó có thể là chất kháng sinh axit amin hoặc protein
3 Xử lý đầu ra: tỉnh sạch hợp chất mong muốn từ môi trường nuôi cấy hoặc từ các đám tế bào
Vật liệu thô
Nghiên cứu công nghệ sinh học là nhằm tối ưu hoá hiệu suất chung từ mỗi giai đoạn và nhằm tìm ra những vi sinh vật tạo ra các sản phẩm có ích để làm thức ăn,
chất bổ sung vào thức ăn và làm thuốc Vào những năm 1960-1970, những nghiên cứu này tập trung vào khâu xử lý đầu vào, thiết kế lò phản ứng sinh học và quá trình
xử lý đầu ra Những nghiên cứu đó đã giúp tạo ra các thiết bị sinh học để theo đối và kiểm soát quá trình lên men và các thiết bị dành cho các quá trình sinh trưởng một cách hiệu quả ở quy mô lớn, làm tăng sản lượng của nhiều loại sản phẩm khác nhau Khâu chuyển hoá sinh học trong toàn bộ quá trình này là khâu khó điều chỉnh nhất Mức độ sản xuất các sản phẩm bởi các chủng vi sinh vật có sẩn trong tự nhiên
được nuôi ở quy mô lớn thường khác xa so với mức độ tối ứu Vì thế, các hoá chất gây đột biến và bức xạ tử ngoại đã được sử dụng để gãy tạo đột biến nhằm thay đổi
cấu trúc di truyền để tạo ra các dạng mới cho sản lượng cao hơn Tuy nhiên mức độ
Trang 28cải tiến đạt được theo cách này thường bị hạn chế về mặt sinh học Ví dụ, nếu chủng
đột biến tổng hợp quá nhiều một hợp chất thì các chức năng trao đổi chất khác
thường giảm đi, làm cho sự sinh trưởng của nó khi lên men ở quy mô lớn kém hơn
mong đợi Dù có những mâu th như vậy thì “phương pháp gây đột biến cảm ứng
và chọn lọc kinh điển để cải tiến các chủng vi sinh vật đã rất thành công đối với nhiều quá trình công nghệ”, như quá trình sản xuất các chất kháng sinh
Phương pháp cải biến di truyền kinh điển đó không hấp dẫn, tốn thời gian và giá
thành cao vì phải chọn, sàng lọc và kiểm tra một số lượng lớn các khuẩn lạc Hơn nữa, kết quả tốt nhất có thể trông đợi chỉ là cải biến đặc điểm đi truyền của chủng
đang có chứ không phải là mở rộng các tiểm năng đi truyền của các chủng đó Dù có
những hạn chế như vậy thì vào cuối những năm 1970, các quá trình sản xuất quy mô
lớn nhiều sản phẩm thương mại cũng đã được hoàn chỉnh
Tuy nhiên, bản chất của công nghệ sinh học đã thay đổi vĩnh viễn nhờ công nghệ ADN tái tổ hợp Với kỹ thuật này, việc tối ưu hoá giai đoạn chuyển hoá sinh
học của một quá trình công nghệ sinh học đã đạt được một cách trực tiếp hơn Kỹ
thuật di truyền đã cung cấp những phương tiện để tạo ra chứ không đơn thuần chỉ là
tách các chủng vi sinh vật sản lượng cao Hơn nữa, các vi sinh vật và các tế bào sinh
vật nhân chuẩn có thể được sử dụng như những “nhà máy sinh học” để sẵn xuất
insulin, interferon, hormon sinh trưởng, kháng nguyên virut và nhiều loại protein
khác Công nghệ ADN tái tổ hợp còn thuận lợi cho việc sản xuất bằng con đường
sinh học một lượng lớn các hợp chất có ích, có trọng lượng phân tử thấp và các đại phân tử có trong tự nhiên với lượng rất nhỏ Thực vật và động vật trở thành mục tiêu
là các lò phản ứng sỉnh học tự nhiên để sản xuất các sản phẩm mới hoặc các sản
phẩm của gen đã bị biến đổi mà phương pháp gây đột biến, chọn lọc và lai không
bao gid tạo ra được Cuối cùng, kỹ thuật mới này còn thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp trị liệu và các hệ thống chẩn đoán hoàn toàn mới
Sự kết hợp của công nghệ ADN tái tổ hợp và công nghệ sinh học đã tạo ra một
lĩnh vực nghiên cứu có tính cạnh tranh cao, đầy triển vọng, được gọi là công nghệ sinh học phân tử Lĩnh vực nghiên cứu mới này, giống như sinh học phân tử vào giai đoạn đầu những năm 1960 là một ngành nhạy cảm mà những lời tuyên bố hoặc kỳ vọng vào nó đôi khi vượt quá khả năng để có được kết quả mong muốn của các nhà nghiên cứu Phương pháp và nên tảng thực nghiệm của công nghệ sinh học phân tử trải qua những biến đổi nhanh chóng Thật khác thường là nhiều cách tiếp cận đã được thay thế bằng các phương pháp khác Irong một thời gian ngắn Nhưng điền chắc chắn là, trong tương lai, công nghệ sinh học phân tử sẽ là phương pháp chuẩn
để phát triển các hệ thống sống có những chức năng mới và có khả năng tổng hợp các sản phẩm thương mại quan trọng
Hầu hết các ngành khòa học mới không thể tự nó xuất hiện Chúng thường được hình thành đo sự kết hợp kiến thức từ nhiều ngành khác nhau Đối với công nghệ sinh học phân tử, phần công nghệ sinh học được hoàn thiện bởi các nhà vi sinh vật học công nghiệp và các kỹ sư hoá học, trong khi công nghệ ADN tái tổ hợp lại chủ yếu thuộc về những phát minh của sinh học phân tử, di truyền học vị sinh vật và enzym học axit nucleic (bảng 1.1) Trên quy mô rộng, công nghệ sinh học phân tử đã
thu hút kiến thức từ nhiều ngành khoa học khác nhau để tạo ra nhiều sản phẩm thương mại (hình 1.2)
Trang 29Bang 1.4 Những mốc lịch sử cũa lich sử phát triển công nghệ sinh học phân tử
1917 Karl Ereky dua ra thuật ngữ công nghệ sinh học
1940 A Jost đưa ra thuật ngữ kỹ thuật di truyền
1943 Pecnixillin được sản xuất ở quy mô công nghiệp
1944 Avery, MacLeod vi MeCany chứng minh rằng ADN là vật chất di truyền
1953 Watson và Crick xác định cấu trúc của ADN
1961 ‘Thanh lap tap chi Biotechnology and Bioengineering
1961~|966 _ Xác định toàn bộ mã di truyền
1970 Tach enzym giới hạn đầu tiên
1972 Khorana và các đồng nghiệp tổng hợp toàn bộ một gen ARNvc
1973 Boyer và Cohen phát triển công nghệ ADN tái tổ hợp
1975 1976 Kohler va Milstein mé 14 quy trinh sản xuất các kháng thể đơn dòng
Công bổ những hướng dẫn đâu tiên để thiết kế một nghiên cứu ADN tái tổ hợp
1976 Các kỹ thuật xác định trình tự ADN được xây dựng
1978 Công ty Genentech sain xuat insulin ngudi nhd E col
1980 Trong vy Diamond v Chakrabarty, Toà án Tối cao Hoa Kỳ ra điều luật rằng các vi
sinh vat được tạo ra bằng con dường di truyền có thể được cấp bằng sáng chế
1981 Lần đầu tiên máy tự động tổng hợp ADN dược bán trên thị trường
198} Bộ chẩn đoán bệnh dựa trên kháng thể đơn đòng được chấp nhận sử dụng ở Hoa Kỳ
1982 nhận sử dụng ở châu Âu Vacxin cho động vặt đâu tiên sắn xuất bằng phương pháp AIDN tái tổ hyp được chấp
1983 Các plasmit Tí cải biến được dùng để chuyển gen ở thực vật
1988 Bảng sáng chế của Hoa Kỳ được cấp cho một công trình tạo ra được chuột mẫn cảm
với ung thư nhờ kỹ thuật di truyền
1988 Công bố kỹ thuật PCR
1990 Hoa Kỳ chấp nhận liệu pháp gen để chữa trị các tế bào soma ở người
1990 Dự án Hệ gen Người chính thức bắt đầu tiến hành
1990 Chymosin tai tổ hợp được dùng để sản xuất phomat ở Hoa Kỳ
1994-1995 Công bổ bán đồ di truyền và bản đổ vật lý chí tiết các nhiễm sắc thể người
1996 Protein tai 16 hợp đầu tiên !à crythropoietin bán được hơn ] tỷ đôla/năm
1996 Hoàn thành giải trình tự các nhiễm sắc thể của một sinh vật nhân chuẩn là
nam men Saccharomyces cerevisiae
1996 TrSng thuong phim cde cay Iwong thuc bign déi gen
1997 Nhân bản bằng nhân tế bào đã biệt hoá của một động vật có vú (cừu)
1998 FDA chấp nhận loại thuốc đối nghĩa đầu tiên
1999 FDA chấp nhận loại protein tái tổ hợp phoi hop (diphtheria 1oxin-interleukin-2) để
chữa trị ung thư tế bào Iympho T ở đà
2000 Hé gen Arabidopsis duge giải trình tự
2000 Các kháng thể đơn dòng vượt doanh thư 2 tỷ đôla/năm
2000 Công bổ loại "lúa vàng” (gold riee}— loại lứa sinh ra provitamin A
2000 Tại Hoa Kỳ, hơn 53 tỷ đỏla được đầu tư cho các công ty công nghệ sinh học
2001 Tiếp tục giải trình tự hệ gen người
2002 Các con chịp gen người hoàn chính được bán trên thị trường
2002 HIV va HCV của những người cho máu FDA chấp nhận hệ thống kiểm tra axit nuclcic đầu tiên để sàng lọc máu đối với FDA, Cơ quan Quản lý lương thực và Thuốc; HCV, vinn viêm gan C; HIV, virut gay suy giảm miễn dich ở người: PCH phản ứng dây chuyển polymeraza; ARNvc, ARN vận chuyển.
Trang 30
Hình 1.2 Những ngành khoa học đóng góp cho công nghệ sinh học phân tử, góp phần sản sinh ra
nhiều loại sản phẩm thương mại,
Sự thương mại hoá công nghệ sinh học phân tử
Mục tiêu cuối cùng của việc nghiên cứu công nghệ sinh học là phát triển các
sản phẩm thương mại Xét cho cùng, ở quy mô rộng, công nghệ sinh học phân tử bị
điều khiển bởi kinh tế học Không chỉ sự đầu tư tài chính giúp đuy trì việc nghiên
cứu công nghệ sinh học phân tử mà rõ ràng là cả sự kỳ vọng vào lợi ích tài chính
cũng là lý do giải thích cho mối quan tâm to lớn và sự sôi động ở giai đoạn đầu của
sự phát triển công nghệ sinh học Vào tối ngày 24 tháng 10 năm 1980, những cổ
đông nắm giữ cổ phần chính của Công ty Genentech đã có nhiều triệu đôla Nhiệt tình chưa từng thấy của một bộ phận công chúng đối với Genentech đã cổ vũ những người khác noi theo Vào những năm 1980-1983, khoảng 200 công ty cỡ nhỏ với sự
ưu đãi về thuế và vốn lấy từ nguồn đầu cơ của thị trường chứng khoán và đầu tư cá nhân đã được thành lập ở Hoa Kỳ Giống như Herbert Boyer, người trước đây là nhà
khoa học của trường Đại học Tổng hợp California tại San Francisco và sau đó là Phó chủ tịch Công ty Genentech, nhiều giáo sư đại học đã đứng ra thành lập công ty
Năm 1985 đã có hơn 400 công ty công nghệ sinh học ở Mỹ, nhiều công ty có
tên gọi mang chữ “gen” để nhấn mạnh ưu thế của họ trong lĩnh vực nhân đòng gen
như: Biogen, Amgen, Calgene, Engenics, Genex, và Cangene Ngày nay có khoảng hơn 1,300 công ty công nghệ sinh học ở Mỹ và hơn 2.500 công ty trên khắp thế giới Ngoài ra, các công ty hoá chất và được phẩm lớn, đa quốc gia, kể cả Monsanto, Du Pont, Pharmacia, American Cyanamid, Eli Lilly, GlaxoSmithKline, Merck, Novartis
và Hoffmann-LaRoche cùng với nhiều công ty khác đã chuyển hướng nghiên cứu chủ yếu sang lĩnh vực công nghệ sinh học phân tử Với sự gia tăng nhanh chóng việc
3.CNSH-A
Trang 311U
buôn bán trong lĩnh vực công nghệ sinh học vào những năm 1980, các công ty nhỏ
đã bị các công ty lớn thôn tính, những mối liên kết chiến lược đã diễn ra và các công
ty liên doanh được thành lập Ví dụ, năm 1991, 60% công ty Genentech đã được bán
cho Hoffmann-LaRoche với số tiền 2,1 tỷ đôla Và, không thể khác được, nhiều công
ty vì nhiều nguyên nhân, đã bị vỡ nợ Tình trạng luôn biến động này là điểm đặc
trưng của ngành công nghiệp công nghệ sinh học
Vào năm 2000, hàng chục loại thuốc mới được tạo ra bằng công nghệ ADN tái
tổ hợp đã được phép sử dụng cho người, hơn 200 loại khác đang trong quá trình thử
nghiệm trên người và trên 750 sản phẩm tái tổ hợp khác đang được phát triển Tương
tự, nhiều sản phẩm công nghệ sinh học phân tử mới nhằm nâng cao sẵn lượng cây trồng và vật nuôi đã được tạo ra và đưa ra thị trường Doanh thu hàng năm của ngành công nghiệp công nghệ sinh học phân tử đã tăng từ khoảng 6 triệu USD năm 1986 lên Khodng 25 ty USD nam 2000 Ngoài ra, vào năm 2000, ở Hoa Kỳ đã có khoảng 175.000 người tham gia vào ngành công nghiệp công nghệ sinh học phân tử Tuy
nhiên, nói chung, khó nắm bắt được lợi nhuận của các công ty công nghệ sinh học
Cho dù còn chưa rõ thì sự nhiệt tình ngày càng tăng của các nhà đầu tư đối với công
nghệ sinh học cũng cho thấy, ít nhất, theo ước tính của họ thì công nghệ sinh học
phân tử sẽ có ảnh hưởng đến cả xã hội Ví dụ, việc bán cổ phiếu của Công ty Genentech lần thứ hai vào năm 1999 đã tạo thêm 1,94 tỷ đôla vốn Năm 2000, các nhà đầu tư đã mua 33 tỷ đôla cổ phiếu của các công ty công nghệ sinh học
Từ năm 1980, nhiều công ty công nghệ sinh học phân tử độc lập mới ra đời thường có xu hướng chuyên môn hoá và chú trọng sử dụng một khía cạnh riêng biệt
của công nghệ ADN tái tổ hợp Quy mô của sự chuyên môn hoá này thường được thể
hiện trong tên gọi của công ty Ví dụ, sự hình thành các công ty chuyên về nhân
dong gen có giá trị thương mại quan trọng như Biogen, Amgen, Genzyme,
Genentech , một số công ty công nghệ sinh học của Mỹ như Immunex,
ImmuLogic, ImmunoGen, Immunomedics, MedImmune và Immune Response được hình thành để sản xuất các kháng thể được tạo ra bằng kỹ thuật di truyền để điều trị
các bệnh lây nhiễm, ung thư và các hội chứng khác ở người Ngày nay, đanh sách các công ty công nghệ sinh học được mở rộng và bao gồm cả các công ty tập trung vào lĩnh vực các hội chứng tìm mạch, kỹ nghệ mô, thay thế tế bào, phân phối vacxin, liệu pháp gen, các thuốc sản xuất bằng kỹ thuật đối nghĩa, các hệ thống phát hiện
bệnh, chẩn đoán bệnh, protein học và công nghệ sinh học nông nghiệp
Sự phát triển thương mại của công nghệ sinh học phân tử tập trung chủ yếu ở
Mỹ Ở những nước không sẵn nguồn vốn đầu tư và ít có hoạt động thầu khoán thì các công ty lớn và chính phủ đóng vai trò tích cực trong việc tạo ra sự khởi đầu cho ngành công nghệ sinh học bản địa Ở Nhật, công nghệ sinh học được coi là “ngành công nghiệp chiến lược” và được chính phủ ưu tiên hàng đầu Thay vì thành lập nhiều công ty nhỏ, độc lập, các công ty lớn của Nhật đang thiếu những chuyên gia
được đào tạo về công nghệ ADN tái tổ hợp bắt đầu hợp tác với các trường đại học và
các công ty Mỹ Ngày nay khi đã có đủ kinh nghiệm cần thiết, các công ty lớn của
3.CNSH-B
Trang 32I1
Nhật tham gia ngày càng trực tiếp hơn vào việc nghiên cứu và phát triển các sản
phẩm công nghệ sinh học phân tử
Nền công nghiệp công nghệ sinh học châu Âu phát triển bên vững Năm 2000,
có khoảng hơn 700 công ty công nghệ sinh học châu Âu Ở các nước có nên kinh tế kém phát triển các chính phủ đóng vai trò quan trọng trong việc khởi xướng công
nghệ sinh học Động cơ thúc đẩy hoạt động này là niềm tin chắc chắn rằng sinh học phân tử là “cuộc cách mạng công nghệ cuối cùng, lớn nhất của thế kỷ 20° Không
nước nào muốn bị tụt hậu trong việc thu nhận những điều kỳ vọng từ công nghệ này
Công nghệ sinh học phân tử trở thành động cơ thúc đẩy sự phát triển nhiều sản
phẩm mới Một số bài báo chính của tạp chí công nghệ sinh hoc Genetic Engineering
News ngay ] tháng 3 năm 2002 cung cấp những nét đại cương về một số hoạt động của công nghệ sinh học thương mại (hộp 1.1) Cho dù ban đầu một số nhà khoa học
tin rằng công nghệ sinh học phân tử là kỹ thuật khó áp dụng vào thực tế thì nay đó
lại] là xu thế chủ đạo Chắc chắn 10 năm tới nên công nghệ sinh học phân tử thương
ôi động cho dù rất khó tiên đoán vì những phát minh mới về kỹ thuật sẽ nhanh chóng thay thế những kỹ thuật đang tồn tại
'HỘP 1,1
Tìn mới vẻ công nghệ sinh học
Trên tạp chí Genetic Engineering News vé công nghệ sinh học ngày 1 tháng 3 năm 2002 đã
Jxuất hiện các vấn để mới sau:
+ Công ty Panacos Pharmaceuticals đạt được thoả thuận sử dụng phương pháp thử kháng thuốc ViroLogic để bước đầu đánh giá các tác nhân chống virut đang được nghiên cứu của Panacos chống lại sự lây nhiễm của virut HIV
* Công ty Titan Pharmaccuticals bất đầu pha II thử nghiệm liệu pháp điều trị bảng cách phối hợp hai loại kháng thể đơn đồng để điều trị ung thư ruột kết
+ Công ty CytRx Corp hợp nhất với hãng Global Genomics Capital
Công ty ProdiGene tuyên bố bắt đầu nâng quy mô trypsin thương mại cho thấy rằng các |
L_ thực vật chuyển gen đã tạo ra được số lượng hàng kilôgam protcin tái tổ hợp
Những vấn đề quan tâm và hậu quả
Công nghệ sinh học phân tử phải mang lại lợi ích chưa từng có cho loài người
Công nghệ sinh học phải
—_ tạo ra cơ hội để chẩn đoán chính xác, ngăn chặn hoặc cứu chữa nhiều bệnh lây nhiễm và bệnh di truyền ở quy mô rộng
-_ Tăng đáng kể sản lượng lương thực bằng việc tạo ra các thực vật kháng côn trùng phá hoại, nấm, virut và những tác động có hại của môi trường như hạn
hán ngắn ngày hoặc quá nóng bức
—_ phát triển các vi sinh vật sản xuất ra các chất hoá học, kháng thể, polyme, axit amin, enzym và các chất phụ gia thức ăn khác nhau
Trang 33— phat triển vật nuôi và các động vật khác có ngày càng nhiều thuộc tính được xác định sẵn về mặt di truyền
— giúp loại bỏ các chất gây ô nhiễm và vật liệu thải khỏi môi trường một cách
để đàng hơn
Mặc dù nhấn mạnh đến các khía cạnh hữu ích của những tiến bộ mới là điều lý thú và quan trọng, song cũng cần phải quan tam đến các vấn để về xã hội và những
hậu quả của nó Ví dụ,
—_ Những sinh vật được tạo ra bằng kỹ thuật di truyền có hại cho các sinh vật
khác hoặc cho môi trường không?
—_ Việc phát triển và sử dụng các sinh vật được tạo ra bằng kỹ thuật đi truyền
có làm giảm tính đa dạng di truyền của tự nhiên không?
—_ Con người có cần được tạo ra bằng kỹ thuật đi truyền không?
— Các kỹ thuật chấn đoán có xâm phạm đến bí mật cá nhân không?
—_ Cấp tài chính cho công nghệ sinh học phân tử có kìm hãm sự phát triển của
các công nghệ quan trọng khác không?
—_ Việc chú trọng vào thành công thương mại có nghĩa là lợi ích của công nghệ
sinh học phân tử sẽ chỉ đành cho các nước giầu?
~ Cong nghệ sinh học phân tử nông nghiệp có phá bổ nền canh tác truyền
Những vấn đẻ trên và nhiều vấn đề khác nữa đã được các uỷ ban của các chính
phủ xem xét, được thảo luận rộng rãi tại các hội nghị, được nhiều người tranh luận và phân tích sâu sắc cả trên các báo chí phổ thông cũng như các công bố hàn lâm Trên
cơ sở đó, những nguyên tắc và những quy định được soạn thảo, các hướng din va
phương pháp được xây đựng Đã có sự tham gia tích cực và rộng rãi của cả các nhà
khoa học và công chúng trong việc quyết định phải tiến hành công nghệ sinh học như
thế nào cho dù vẫn còn một số điều cần tranh luận
Công nghệ sinh học phân tử, với sự ồn ào và phô trương thái quá, trong một
khoảng thời gian tương đối ngắn, đã trở thành một dự án khoa học phiêu lưu cả về mặt hàn lâm và thương mại Nhiều công bố về mặt khoa học và thương mại mới đã được đăng dành cho lĩnh vực công nghệ sinh học phân tử Nhiều chương trình đào tạo đại học và sau đại học giảng dạy công nghệ sinh học phân tử đã được xây dựng ở nhiều trường đại học trên toàn thế giới Thậm chí các hoạ sĩ cũng vẽ tranh để miêu tả nhận thức của họ về công nghệ sinh học phân tử (hình 1.3) Theo các tài liệu năm
Trang 3413
1987, Phòng Đánh giá Công nghệ của Mỹ đã không phóng đại khi hăng hái tuyên bố rằng, công nghệ sinh học phân tử là “cuộc cách mạng khoa học mới có thể làm thay đổi cuộc sống và tương lai của người dân một cách đáng kinh ngạc giống như cuộc Cách mạng Công nghiệp hai thế kỷ trước và cuộc cách mạng máy tính ngày nay Khả năng tạo ra vật liệu di truyền để có được những sản phẩm đặc biệt ở các cơ thể sống hứa hẹn những biến đổi to lớn trong nhiều mặt của cuộc sống hiện đại”
Hình 1.3 Trang trại do Alexis Rockman thể hiện Theo hoạ sỹ, “Đây là trang trại nông nghiệp thể hiện bằng hình tượng” Trang trại nằm trên một cánh đồng rộng với những đối tượng thông thường— vật nuôi, hoa quả và rau Tuy nhiên, tình cảnh tương tự thật xa điều ta có thể tưởng tượng Một con
bò quái dị, to lớn một cách không cân đối có quá-nhiều đầu vú Chú lợn là nhà máy sản xuất các cơ
quan của con người Và chú gà không có lông, khoe ba đôi cánh đường như sản sàng để đem quay
Còn ruồi đấm, đối tượng của nhiều nghiên cứu di truyền học, hiện diện như một chú chuột mọc ra ở
đuôi một mấu giống sụn tai người Những trạng thái quá khứ, hiện tại và tương lai đan kết lại ở đây với những sợi dây có gai, những cái giỏ và ADN Cảnh trang trại cho thấy bằng cách nào những cơ
thé động vật ấy được biến đổi—hoặc một ngày nào đó có thể bị biến đổi—để thoả mãn những nhu cầu về thẩm mỹ y học và sự sành ăn của chúng ta” © Alexis Rockman, 2000 Courtesy of Gorney Bravin + Lee, New York, N Y
TOM TAT
Nam 1983 Stanley Cohen, Herbert Boyer và các đồng nghiệp đã xây dựng
phương pháp chuyển thông tin di truyền (gen) từ sinh vật này sang sinh vật khác Phương pháp được gọi là công nghệ ADN tái tổ hợp đó đã giúp các nhà nghiên cứu tách được các gen đặc hiệu và duy trì chúng trong các sinh vật chủ Công nghệ ADN
Trang 3514
tái tổ hợp hữu ích cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu Hơn nữa, nó còn ảnh hưởng to lớn đến công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học chủ yếu sử dụng các vi sinh vật ở quy mõ lớn để sản xuất
ác sản phẩm thương mại quan trọng Trước khi có công nghệ ADN tái tổ hợp, con
đường hiệu quả nhất để tăng sản lượng của sinh vật là gây tạo đột biến rồi sau đó chọn lọc để xác định những sinh vật có những đặc tính siêu việt Quá trình này
không thật chắc chan, tốn thời gian, tốn nhiều công sức và đắt tiền, và theo cách này
chỉ có số ít tính trạng được cải thiện Công nghệ ADN tái tổ hợp cung cấp những
phương tiện mạnh, nhanh chóng và hiệu quả để tạo ra các vi sinh vật có những đặc điểm di truyền đặc biệt, Hơn nữa, các công cụ của công nghệ ADN tái tổ hợp không
chỉ làm cho các vi sinh vật mà cả động vật và thực vật được cải biến đi truyền Sự
phối hợp công nghệ ADN tái tổ hợp và công nghệ sinh học đã tạo ra một ngành năng động và lý thú là công nghệ sinh học phân tử
Từ lúc khởi đầu, công nghệ sinh học phân tử đã thu hút được trí tưởng tượng của công chúng Nhiều công ty nhỗ chuyên nhân đòng gen đã được thành lập với sự đầu tư tài chính từ các nhà đầu tư tư nhân Cho dù các công ty công nghệ sinh học này cần thời gian lâu hơn mong đợi để tạo ra các sản phẩm cho thị trường thì ngày
nay đã có một số lượng lớn các sản phẩm được tạo ra bằng công nghệ ADN tái tổ hợp và sắp tới sẽ còn nhiều hơn
Vì ảnh hưởng to lớn của nó, công nghệ sinh học phân tử đã được nghiên cứu kỹ lưỡng về ảnh hưởng tiểm tàng của nó đối với xã hội Một số vấn đề cần quan tâm đã được bàn tới, đó là sự an toàn của công nghệ sinh học phân tử, những hiệu ứng âm tính có thể có đối với môi trường, sự sở hữu tư nhân hay công cộng các sinh vật được cái biến di truyền,
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Anonymous 1987 New Developments in Biotechnology—Background Paper: Public Perceptions of Biotechnology Office of Technology Assessment, U.S Congress, U.S
Government Printing Office, Washington, D.C
Bud, R 1991 Biotechnology in the twentieth century Soc Stud Sci 21:415-457
Bud, R 1993 The Uses of Life: a History of Biotechnology Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom
Busch, L., W B Lacy, J Burkhardt, and L R Lacy 1992 Plants, Power, and Profit:
Social, Economic and Ethical Consequences of the New Biotechnologies Blackwell Publishers,
Cambridge, Mass
Cohen, S N., and A, C, Chang 1973, Recircularization and autonomous replication of a sheared R-factor DNA segment in Escherichia coli wansformants Proc Natl, Acad Sci USA 70:1293-1297,
Cohen, S N., A C Y Chang, H W Boyer, and R B Helling 1973 Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro Prac Natl Acad Sci USA 70:3240-3244 Davis, B D (ed.) 1991 The Genetic Revolution: Scientific Prospects and Public Perceptions
The Johns Hopkins University Press, Baltimore, Md.
Trang 36CÂU HỎI ÔN TẬP
1 Những hạn chế của phương pháp “gây đột biến và chọn lọc” để phát triển các sinh vật có
ưu thế cho mục đích thương mại?
2 Vì sao công trình của Cohen và Boyer và các đồng nghiệp năm 1973 lại được coi là quan
trọng?
3 Karl Ereky 1a ai?
4 M6 ta cdc bước chính của một quá trình công nghệ sinh học
5 Phân biệt công nghệ sinh học và công nghệ sinh học phân tử
6 Thảo luận một số vấn dé cần quan tâm về mặt xã hội đã được đưa ra của công nghệ sinh học phân tử
1 Thảo luận quan điểm “công nghệ sinh học phân tử là khoa hoc đa ngành”
§ Có thể dự đoán những tiềm năng phát triển nào của công nghệ sinh học phân tử?
9 Tóm tắt lịch sử phát triển ngành công nghiệp công nghệ sinh học 40 năm qua
10 Vào trang web: http://www.nytimes.com, http://daitynews.yahoo.com hoac c4c website tin tức thích hợp và tìm kiếm với từ “công nghệ sinh ñọc” Mô tả và thảo luận ba sự kiện mới về công nghệ sinh hoc gần day
Trang 372
Các hệ thống sinh học dùng trong công nghệ sinh học phân tử
Sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn
Escherichia coli
Saccharomyces cerevisiae
Các con đường tiết ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn
Tế bào sinh vật nhân chuẩn trong môi trường nuôi cấy
TOM TAT
TÀI LIỆU THAM KHẢO
CÂU HỘI ÔN TẬP
Các nhà công nghệ sinh học phân tử dùng rất nhiều hệ thống sinh học bao gồm
vi khuẩn; nấm: các dòng tế bào cón trùng, thực vật, động vật có vú; virut của côn trùng của thực vật động vật; và các sinh vật đa bào như thực vật cá chuột và động vật nuôi Việc lựa chọn hệ thống sinh học phụ thuộc phần lớn vào sản lượng và chất lượng thương phẩm Nhiều trường hợp sinh vật biến đổi gen là hàng hoá thực sự
“Trong số các hệ sinh học dùng cho nghiên cứu và phát triển sản phẩm, vi khuẩn Escherichia coli, nim men don bao Saccharomyces cerevisiae va nhiéu dong té bao
động vật là đối tượng chính Nhiều hệ thống sống khác như các đồng tế bào côn trùng dùng để sả
Sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn
Sinh vật được chữa thành hai nhóm chính: sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn Một số đặc điểm cấu trúc là cơ sở của sự phân loại này Ở nhiều phả
các chương sau những khác biệt giữa sinh vật nhân sơ vì
trong
ính vật nhân chuẩn sẽ được trình bày chỉ tiết hơn Theo nghĩa rộng, những sai khác quan trọng là có nhân hay không có nhân chứa ADN nhiễm sắc thể, thành phần hoá học của thành tế bào và
Trang 3817
sự có hay không có các bào quan trong tế bào chất Ở tế bào sinh vật nhân so, vi du
như vi khuẩn, ADN nhiễm sắc thể tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất, thành tế bào
vững chắc có thể chứa peptiđoglycan nhưng không bao giờ chứa kitin hay xenluloza
và không có bào quan Ngược lại, trong tế bào sinh vật nhân chuẩn, ADN nhiễm sắc thể được bao bọc trong màng tạo thành nhân; thành tế bào, nếu có, có thể chứa kitin hoặc xenluloza nhưng không bao giờ chứa peptiđoglycan và có các bào quan, ví dụ
(chiều đài nhỏ hơn | im) thường thấy trong ruột người và không có trong đất hoặc
nước £ coli là đối tượng nghiên cứu được ưa chuộng là nhờ khả năng sinh sản bằng
cách phân đôi trong phòng thí nghiệm trên môi trường nuôi cấy đơn giản chứa ion
(Na*, K*, Mỹ”, Ca”, NH,", CÍ, HPO,* và SO,2), nguyên tố vỉ lượng (Fe”, Co”,
Trang 3918
Zn” Cu”' và Mo”*) và nguồn carbon như glucoza Trong môi trường nuôi cấy lỏng
phức hợp (làm giàu) chứa axit amin, vitamin, muối, nguyên tố vi lượng và nguồn
carbon ở 37C đời thế hệ tế bào của # col: trong pha loga vào khoảng 22 phút
| Cold Spring Harbor Symp Quant Biol.11:113-114, 1946
Vào nửa đầu thế kỷ 20 quan điểm thịnh hành của các nhà vi khuẩn học là vi khuẩn
¡ khác với các sinh vật khác, không dựa trên các biến đổi di truyền (đột biến) ngẫu nhiên,
xẩn có để tồn tại Đúng hơn là mọi người tin rằng trong phần lớn trường hợp môi trường
¡ kích thích đáp ứng sinh lý phù hợp giúp cho vi khuẩn tồn tại được trong những điều kiện
khác nghiệt Niềm tin nay da bj S E Luria va M Delbriick bác bỏ (Genetics 28:491-511,
1943) họ đã chứng minh rằng tính kháng của E cof đối với virut của vì khuẩn (thực
khuẩn thể) là đo các đột biến có từ trước chứ không phải là đo ảnh hưởng của việc vì
khuẩn tiếp xúc với thực khuẩn thể Nhiều nhà nghiên cứu đã chứng mỉnh nhận xét này đối
với các tác nhân môi trường khác Nghiên cứu của Luria-Delbriiek đã đánh dấu sự khởi
đầu của đi truyền học vi khuẩn hiện đại,
Công trình của Lederberg vi Tatum nam 1946 da dua E coli len vị trí bàng đầu trong
nghiên cứu di truyền khi họ chứng minh rắng thông tin đi truyền có thể được trao đổi giữa các thành viên của một mẻ nuôi các chúng £, coli hỗn hợp về mặt đi truyền và
ảng, tổ hợp
đi tuyển mới đã được tạo ra đo trao đổi vật chất giữa các nhiễm sắc thể (tái tổ hop di
¡ ruyen) giống như ở sinh v'
hữu tính Nói một cách tóm tất Lederberg va Tatum tao cde đồng £ coli bằng cách gay đột biến và chọn lọc các tế bào có nhiều khiếm khuyết về trao
đối chất Ví dụ nếu một trong xố các đòng thuần chủng có thế tổng hợp chất A B, ©
nhưng không thể tổng hợp D E nó được kí hiệu là ABCde Một dòng thuần với các đặc điểm hoá sinh bể sung là abcDE cũng được tạo ra Khi hai dòng này được trộn lẫn với
nhau ví khuẩn ABCDE xuất hiện Kiểu ABCDE vốn không có ở bất cứ dong nao Sau khi những khả năng khác bị loại bỏ bằng thực nghiệm Lederberg và Tatum kết luận rằng tổ
hợp ABCDE xuất hiện do trao đổi vật chất đi truyền giữa hai nhiễm sác thể Nói cách
khác £ co có một dạng hữu tính thúc đầy sự tạo thành tổ hợp di truyền mới 1ương tự hệ
thống di truyền của các sinh vật khác,
Khi d6 Luria tuyên bố rằng khám phá này có thể là một “trong số những tiến bộ cơ
bản nhất trong suốt lịch sử ví khuẩn học” Tiên đoán này nói chung là đúng Phát hiện của
| Lederbe
va Tatum dua dén mét loat nghiên cứu nổi bật:của Lederberg và những người
khác để hiểu được hệ thống di tru
Trang 4019
E coli cé thé nudi duge trong mdi truéng cé oxy (hiếu khí) hoặc không có oxy (ky khf) Tuy nhién, dé tổng hợp tối ưu protein tái tổ hợp (protein di nguén)
và các vật chủ khác thường được nuôi trong điều kiện hiếu khí Để sản xuất protein
tái tổ hợp trong phòng thí nghiệm, mẻ nuôi vi khuẩn thường được giữ ở môi trường lỏng phức hợp trong bình nón Nhiệt độ sinh trưởng và mức độ thông khí được duy
trì bảng cách đặt bình nón cấy vi khuẩn vào trong bể nước lắc Ở điều kiện đó, lượng không khí đủ cho tế bào sinh sản nhưng không phải là điều kiện tối ưu cần thiết cho việc tổng hợp protein tái tổ hợp Mức độ sinh trưởng và tổng hợp protein thường bị
giới hạn bởi nồng độ oxy hoà tan trong môi trường nuôi cấy, vào khoáng 9 phần triệu
O, hoa tan trong I lít nước ở 20°C, hơn là bởi nguồn carbon hoặc nitơ Đối với sản xuất công nghiệp protein tái tố hợp bằng vi sinh vật, lượng oxy có sẵn cho tế bào là
yếu tố cực kỳ quan trọng Nhiều bình chứa đặc biệt (thiết bị lên men) và hệ thống
thông khí đã được thiết kế để tăng tối đa sản lượng protcin tái tổ hợp
mã hoá cho ADN polymeraza chịu nhiệt, loại enzym thiết yếu đối với kỹ thuật được
sử dụng rộng rãi là phản ứng dây chuyển polymeraza (PCR), được lấy từ sinh vật ưa nhiệt và nhân đồng vào E cøíi, Thuộc nhóm sau là các dòng Coryuebacteriit
glutamicum d& được biến đổi đi truyền để tăng sản lượng các axit amin quan trọng
trong công nghiệp
Bảng 2.1 Một số vì sinh vật được biến đối gen để thực hiện các quá trình công nghệ sinh học Acremonium chrysogeman
S cerevisiae 1a nam men không gây bệnh, đơn bào (đường kính khoảng 5 km)
mà, về nhiều khía cạnh, là phiên bản nhan chudn cua E coli Di truyền học, sinh học
phân tử và trao đổi chất của nó đã được nghiên cứu rộng rãi Là một sinh vật thí nghiém, S cerevisiae, sinh san bang cdéch nay chdi té bao con từ tế bào mẹ, s
an sang