TẾ BÀO – ĐỐI TƯỢNG TRUNG TÂM CỦA THẾ KỈ SINH HỌC ppt

CHƯƠNG I TẾ BÀO – ĐỐI TƯỢNG TRUNG TÂM CỦA THẾ KỈ SINH HỌC Đến 2005, tròn 350 năm kể từ những quan sát tế bào đầu tiên cuả Robert Hooke năm 1655 và nhân loại đang sống giữa thập niên đầu tiên của thế kỉ 21 – thế kỉ Công nghệ sinh học, cụm từ không còn chỉ về tương lai như cách nay nhiều thập niên mà khẳng định một hiện thực. Ba phát minh sinh học nền tảng trong thế kỉ XIX làm những tiền đề căn bản cho sinh học thực nghiệm thế kỉ 20 : học thuyết tế bào (1838), học thuyết tiến hóa (1859) và học thuyết về gen (1865). Suốt thế kỉ XX, các nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề gen dẫn đến Thời đại gen, mà đỉnh cao là việc hoàn tất Bộ gen người vào năm 2003 và mở ra Thời đại sau Bộ gen (Post-Genomics Era). Theo đà phát triển chung, Sinh học thế kỉ XXI sẽ tiến lên các cấp độ tổ chức cao hơn là Sinh học của các hệ thống và tế bào. Như vậy, đối tượng trọng tâm của thế kỉ XXI sẽ là tế bào mà hoạt động của nó càng nghiên cứu càng thấy hết sức phức tạp. Sinh học tế bào (Biology of the Cell) là môn sinh học nghiên cứu về cấu trúc và các hoạt động sống của tế bào sẽ giữ vai trò trung tâm trong nghiên cứu sự sống. ngày càng quan trọng hơn. I. TẾ BÀO LÀ SÁNG TẠO CÓ GIÁ TRỊ NHẤT CỦA SỰ TIẾN HOÁ Trên thực tế, tất cả các sinh vật, kể cả con người đều có cấu tạo tế bào và là sản phẩm của sự tiến hóa từ tế bào đầu tiên. Tư duy của bộ não người cũng là sản phẩm của 10 tỉ tế bào thần kinh. Không nghi ngờ gì nữa, tế bào là một sáng tạo có giá trị nhất của sự tiến hoá. Tuy nhiên, việc nghiên cứu tế bào chưa được chú ý đúng mức và đúng tầm quan trọng vốn có của nó. 1. Sự sống bắt đầu từ tế bào a. Tế bào nguyên thủy đầu tiên (LUCA) Theo giả thuyết mới nhất, sự sống xuất hiện cách nay 3,8 tỉ năm. Tuy có nhiều ý kiến khác nhau về nguồn gốc sự sống, nhưng có một điều chắc chắn là sự sống bắt đầu từ một tế bào nguyên thủy đầu tiên, được gọi theo tiếng Anh là LUCA (the Last Universal Cellular Ancester). Trừ các virus, tất cả các sinh vật đều có cấu tạo tế bào. Ơ mức vi mo, tức tế bào và phân tử, biểu hiện của sự sống tất cả các sinh vật về căn bản giống nhau. Càng đi sâu nghiên cứu sinh học phân tử, càng có thêm nhiều chứng cứ về nguồn gốc chung của thế giới sinh vật. Sự thống nhất của sinh giới thể hiện ở cấu trúc tế bào. b. Con người bắt đầu từ một tế bào Bất kì sinh vật nào, dù đơn bào hay đa bào, đều bắt nguồn từ một tế bào ban đầu. Con người cũng không phải là một ngoại lệ. Mỗi người đều bắt đầu từ một hợp tử tạo nên từ tế bào trứng của mẹ được thụ tinh bởi tinh trùng của cha (hình 1.1). . 1 Hình 1.1. Tế bào trứng của người (~ 200 micrômét) với các tinh trùng bao quanh Một tế bào hợp tử của người chứa 6.10 –12 g (6 phần nghìn tỉ gam) DNA là phân tử chât di truyền. Thật khó hình dung một khối vật chất nhỏ như vậy lại chứa nổi một lượng thông tin cực lớn : từ tế bào hợp tử trãi qua quá trình phân chia tạo nên cơ thể con người (khoảng 10 14 tức trăm nghìn tỉ tế bào) có trí tuệ sáng tạo, mà cuộc sống có thể kéo dài thậm chí cá biệt đến hơn trăm tuổi. 2. Sự đa dạng sinh giới là sản phẩm từ sự tiến hóa của tế bào Cho đến nay, các nhà khoa học biết được khoảng 2 triệu loài sinh vật sống trên hành tinh chúng ta. Về mặt sinh học con người chỉ là một loài trong khối đa dạng muôn màu sắc đó. Sự đa dạng của sự sống biểu hiện ở hai mặt : đa dạng các loài và hệ thống thứ bậc từ thấp lên cao của nhiều mức tổ chức khác nhau (Tế bào, cơ thể, quần thể, loài, quần xã (community), hệ sinh môi (ecosystems), sinh quyển). a. Cây phát sinh chủng loài Từ tế bào nguyên thủy đầu tiên, trãi qua quá trình phát triển tiến hóa dưới tác động khốc liệt của chọn lọc tự nhiên đã hình thành các sinh vật ngày nay như mô tả ở cây tiến hóa (hình 1.2). Tuy có sự đa dạng khổng lồ như trên, nhưng truy tận gốc về cấu trúc chỉ có 3 loại tế bào đại diện cho 3 siêu giới : tế bào Eubacteria, tế bào Archaea và tế bào Eukaryota. Khó hình dung được khả năng biến hóa khôn lường của tế bào trong tiến hóa vĩ mô dẫn đến các sinh vật trên hành tinh chúng ta. b. Sự đa dạng các loại tế bào ngay trong từng cơ thể đa bào Trong cơ thể đa bào, quá trình phát triển cá thể từ tế bào ban đầu đã tạo nên nhiều loại tế bào, các mô và cơ quan khác nhau. Ngay một tế bào đơn cũng có thể có giới tính như tinh trùng và tế bào trứng. Ở người, tế bào hợp tử ban đầu tạo ra hơn 200 loại tế bào khác nhau tạo nên các mô và các cơ quan như tim phổi thận gan,…. Quá trình này được thực hiện hài hòa chính xác theo không gian và thời gian. Đến một lúc nào đó, mà chúng ta hy vọng ngay trong thế kỉ 21 này, con người sẽ hiểu rõ các cơ chế của sự phát triển từ tế bào tạo ra các cơ quan thì có thể nuôi tế bào để tạo ra các cơ quan như tim, thận,… để phục vụ cho Y học phục hồi (Regenerative Medecine) như thaythế cơ quan. Liệu pháp tế bào đang ở những bước đầu của xu hướng đó và hứa hẹn nhiều thành tựu mới. 2 Hình 1.2. Cây tiến hóa mô tả 3 siêu giới (Eubacteria, Archaea, Eukaryota) từ tế bào ban đầu c. Sự đa dạng của tế bào do sự cải biến của con người Trong thực tiễn sản xuất, con người đã tiến hành chọn giống để tạo ra những dòng tế bào mới có năng xuất vươt trội. Phần lớn các qui trình sản xuất của Công nghệ sinh học sử dụng các tế bào cải biến. Các thành tưu trong chọn giống vi sinh vật trong công nghiệp lên men minh họa rõ sự biến đổi khác thường phục vụ lợi ích con người. Thường trong môi trường nuôi, sinh khối khô của tế bào đạt tối đa khoảng 20 g/l. Nhưng các chủng đột biến sản sinh các chất đặc biệt với số lượng cao gấp nhiều lần trọng lượng khô của tế bào hoặc nhu cầu của tế bào như : – Chủng Penicillium chrysogenum hiện nay đạt 60g/l môi trường, cao gấp 3 lần sinh khối. – Chủng Corynebacterium glutamicum tạo glutamic acid đạt 200g/l, cao hơn gấp 10 lần. – Chủng Ashbya gosspii sinh ra riboflavin (vitamin B 2 ) hơn 20 g/l gấp 40.000 lần nhu cầu của nó. – Chủng Pseudomonas denitrificans sinh ra vitamin B 12 gấp 100.000 lần nhu cầu của nó. Tóm lại, thế giới sinh vật bắt nguồn từ tế bào, sự đa dạng nhưng thống nhất ở cấu tạo tế bào và tế bào có tiềm năng lớn cho con người cải biến và điều khiển phục vụ cho mình. Tiềm năng to lớn của tế bào trong biến đổi tiến hóa và chịu sự cải biến của con người chưa thấy giới hạn. 3. Tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống Sinh giới có nhiều mức độ tổ chức khác nhau, nhưng tế bào là cấu trúc nhỏ nhất có biểu hiện đầy đủ các tính chất của sự sống : – Trao đổi chất và biến đổi năng lượng : Toàn bộ các hoạt động hóa học của cơ thể sinh vật được gọi là sự trao đổi chất (metabolism) : phân hủy các chất dinh dưỡng cung cấp năng lượng và vật liệu cho sinh tổng hợp và cho các quá trình sống khác nhau. – Tăng trưởng và phân bào : Sự tăng trưởng (growth) là tăng khối lượng chất sống của mỗi cơ thể sinh vật, gồm sự tăng kích thước của từng tế bào và tăng số lượng tế bào cơ thể. “Sinh vật sinh ra sinh vật” và “tế bào sinh ra tế bào” nhờ cơ chế phân bào. Chu trình 3 tế bào được kiểm soát chặt chẻ và hoạt động hài hòa. Có hai kiểu sinh sản: vô tính và hữu tính. – Thu nhận và gởi tín hiệu thông tin : Trên màng tế bào, các thụ thể (recepteurs) gắn với phân tử thông tin và có phản ứng đáp lại. Ngoài ra, các tế bào tiết những chất hóa học ra ngoài, đi đến các tế bào tiêu điểm thành những tín hiệu tác động lên màng. – Điều hòa sự biểu hiện gen đáp lại tác động từ môi trường bên trong và bên ngoài tế bào. – Sự chết theo chương trình của tế bào : Song song với quá trình tăng số lượng tế bào, các sinh vật đa bào còn có những cơ chế phức tạp kiểm soát sự chết của tế bào theo chu trình phát triển. II. THỜI ĐẠI GEN VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SINH HỌC TẾ BÀO 1. Thế kỉ 20 với Thời đại gen Sinh học thế kỉ XX đã phát triển với tốc độ ngày càng nhanh : − Đầu thế kỉ XX, khái niệm gen được xác lập ; và năm 1910 – 1920, T.H. Morgan nêu ra Thuyết di truyền nhiễm sắc thể, và Di truyền học gắn chặt với tế bào học. − Giữa thế kỉ XX (năm 1953), mô hình cấu trúc phân tử DNA của Watson-Crick ra đời, đặt nền móng cho sự phát triển của Sinh học phân tử. Sau phát minh này, giới khoa học đã tiên đoán thế ki XXI là thế ki sinh học và sự phát triển vượt bậc của sinh học ở nửa cuối thế kỉ XX đã biến dự báo thành hiện thực. − Năm 1972 – 1973, ki thuật di truyền ra đời làm bùng nổ cách mạng Công nghệ sinh học (CNSH). Sinh học thế kỉ XX tiến bộ trên tất cả các lĩnh vực với tốc độ chưa từng thấy thể hiện ở cả mọi mặt : về phát triển lực lượng, chiều rộng, chiều sâu, tốc độ và tầm ảnh hưởng. Đơn cử ví dụ về tốc độ : Phát triển nhanh chưa từng thấy như thời gian cần để giải kí tự chuỗi chính xác từng nucleotide của Bộ gen người tiến triển như sau : vào năm 1980, phải cần 1.000 năm; vào năm 1990 chỉ cần 100 năm; năm 2000 chỉ trong 1 năm. Cuối thế kỉ XX, các cụm từ Cách mạng di truyền, Thời đại gen đã trở nên phổ biến. Cùng hòa nhịp với sự phát triển chung của các khoa học về sự sống, Sinh học tế bào đã có những thành tựu đáng kể. Trong 3 thập niên cuối, nhiều công trình nghiên cứu đã tìm ra các cơ chế phân tử là cơ sở cho các chức năng lớn cuả tế bào : chu trình tế bào cell cycle), sao chép (replication), tái tổ hợp (recombination) và sửa sai DNA (reparation). Đặc biệt là những phát hiện mới trong thập niên cuối thế kỉ XX : – Tìm ra các cơ chế kiểm soát việc khởi sự sao chép DNA. – Mô tả mối liên hệ giữa cấu trúc chromatin với điều hoà phiên mã thông qua acetyl hoá (acetylation) histone. – Hiểu rõ các con đường di chuyển của protein (protein trafficking), bao gồm : ra vào nhân tế bào, xâm nhập lưới nội chất và chuyển đến bộ Golgi, cơ chế phân tử của vận chuyển nhờ túi bọt (vescicular transport), và các cơ chế protein xâm nhập vào ti thể và lục lạp. – Những lĩnh vực gây ấn tượng mạnh như tín hiệu tế bào (cell signaling) và điều hoà chu trình tế bào (cell cycle regulation) đã phát triển nhanh và tiếp tục tiến triển trong thế kỉ 21. 4 – Đặc biệt những tiến bộ nhanh đạt được trong hiểu biết về điều hoà sự chết theo chương trình của tế bào (apoptosis) và các con đường tín hiệu chi phối số phận của tế bào trong quá trình phát triển phôi. Những tiến bộ khoa học đó sẽ gắn liền với nhiều ứng dụng to lớn trong y dược học, nông lâm ngư nghiệp và bảo vệ môi sinh như việc ứng dụng tế bào gốc thay thế mô hay cơ quan bị sai hỏng chức năng và điều chế nhiều loại thuốc mới cho Y học cá thể hoá (individualized medecine). Các phát minh tế bào học gây chấn động cuối thế kỉ 20 : – Tháng 2/1997, Wilmut công bố Nhân bản vô tính động vật (Animal cloning) tạo cừu Dolly (hình 1.3), mở ra triển vọng to lớn trong nhân giống nhiều loài động vật từ nhân tế bào soma (tế bào sinh dưỡng), kể cả nhân bản người. – Thành tựu mới nổi bật trong năm 1998 là phát hiện về Tế bào gốc soma (Somatic stem cell), các tế bào vẫn giữ nguyên khả năng sinh sản vô hạn và có thể phát triển thành nhiều loại tế bào chuyên biệt khác nhau Đặc biệt, nhân bản vô tính động vật bằng nhân tế bào gốc sẽ dễ thực hiện hơn rất nhiều. Việc nhân bản người đã thành hiện thực. Những kết quả ban đầu về chuyển nhân tế bào để nhân bản vô tính động vật và các ứng dụng tế bào gốc đã gây chấn động dư luận. Những hiểu biết sâu sắc và chi tiết hơn về tế bào sẽ hứa hẹn những ứng dụng thần kì. Hình 1.3. Cừu Dolly trắng và mẹ đẻ đầu đen giống Blackface Nhìn lại quá trình phát triển lịch sử của Sinh học, Học thuyết tế bào ra đời trước hơn cả vài trăm năm, nhưng sự hiểu biết chi tiết về hoạt động sống của nó, đặc biệt ở cấp độ phân tử, tiến rất chậm. Sự phát triển của Sinh học phân tử cho thấy hoạt động của nó càng nghiên cứu càng thấy hết sức phức tạp. Điều đó đặt ra nhiệm vụ nặng nề hơn cho Sinh học thế kỉ XXI. 2. Bộ gen người Nhờ những thành tựu mới của kỹ thuật di truyền, đầu năm 1990, Dự án bộ gen người bắt đầu với kinh phí 3 tỉ USD (riêng phần của Hoa Kì) trong 15 năm và dự kiến sẽ kết thúc vào 2005. 5 Ngày 14/4/2003, Dự án bộ gen người (thường gọi ngắn Bộ gen người) hoàn thành việc giải kí tự chuỗi của 3,2 tỉ cặp base của DNA người và tuyên bố kết thúc sớm 2 năm ở Hội nghị khoa học của NIH (National Institutes of Health) kỉ niệm 50 năm chuỗi xoắn kép DNA (hình 1.4). Theo đánh giá của các nhà khoa học : “Đây là ngày chúng ta hoàn tất lần xuất bản đầu tiên Cuốn sách của sự sống (the Book of Life).” hay “Trong nhiều thế kỉ tới, ngày hôm nay sẽ được nhớ đến như một cột mốc lịch sử”. Hình 1.4. Biểu tượng về Bộ gen người Bộ gen người là một cột mốc lịch sử, nó kết tinh những thành tựu rực rở nhất của Sinh học thế kỉ 20 và mở ra tiền đồ vô cùng rộng lớn cho thế kỉ 21 – thế kỉ Công nghệ sinh học. Nguồn trí thức đầy ý nghĩa từ bộ gen người sẽ xác định các nghiên cứu trong nhiều thập niên tới, giúp hiểu được các hệ thống sinh học của bản thân con người. Một trong những đóng góp vĩ đại nhất sẽ là xây dựng lối tiếp cận hoàn toàn mới : nghiên cứu đồng bộ tất cả các gen của Bộ gen. Theo các nhà khoa học, Dự án bộ gen người không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học, mà còn có tác động về nhiều mặt khác như chính trị, kinh tế và cả quốc phòng (vũ khí sinh học, khủng bố sinh học),… Nhiều ngành khoa học công nghệ mới hình thành : – Genomics (khoa học về bộ gen (genome - bộ gen) hay bộ gen học giúp xác định nhanh chóng trình tự nucleotide (hay giải kí tự chuỗi) của DNA bộ gen và các chức năng của chúng. – Proteomics (khoa học về bộ protein) nghiên cứu toàn bộ các phức hợp của protein gồm : cấu hình (conformation), vị trí, các biến đổi, các tương tác và chức năng. Nếu như Genomics giúp cho chẩn đoán sớm thì việc ngăn ngừa và chữa trị bệnh sẽ nhờ các kết quả của Proteomics. – Pharmacogenomics (Bộ gen dược học) là sự kết hợp giữa dược học với genomics nhằm nghiên cứu về gen, sự điều hoà và đóng góp của chúng vào sự phát triển của bệnh tật đối ở mỗi cá thể riêng biệt. Các chuyên ngành này sẽ cung cấp nhiều cách tiếp cận mới để phát hiện, bảo tồn và sử dụng nguồn đa dạng sinh học của hành tinh chúng ta. Nguồn trí thức đầy ý nghĩa từ bộ gen người sẽ xác định các nghiên cứu trong nhiều thập niên tới, giúp hiểu được các hệ thống sinh học của bản thân con người chúng ta. Nhiệm vụ khổng lồ này sẽ đòi hỏi tài năng chuyên môn và sự sáng tạo của hàng chục ngàn các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới. Một trong những đóng góp vĩ đại nhất sẽ là xây dựng lối tiếp cận hoàn toàn mới trong nghiên cứu sinh học là nghiên cứu đồng bộ tất cả các gen của bộ gen. Ví dụ, nghiên cứu tất cả các bản phiên mã trong một mô hay cơ quan đặc hoặc khối u, hay có thể nghiên cứu hàng chục ngàn gen và protein hoạt động đồng thời trong những mạng tương tác với nhau để điều khiển các quá trình sinh hoá của sự sống. 6 Chưa bao giờ con người hiểu biết sâu sắc về bản thân mình và có nhiều công nghệ mới để cải biến toàn diện chất lượng cuộc sống của mình như trong thời đại gen. 3. Thời đại sau Bộ gen Phải mất 13 năm, 2,7 tỉ USD và hơn 1.100 các nhà sinh học, tin học và kĩ thuật viên làm việc ở 6 nước để giải kí tự chuỗi 3,2 Gigabase (tỉ base) bộ gen người. Tuy nhiên, việc hoàn tất bộ gen người chỉ mới chạm đến phần nổi của tảng băng, mà theo đánh giá có khoảng 30.000 gen. Một kết quả hết sức bất ngờ là khi giải xong bộ gen người thấy số loại protein lớn hơn số gen gấp nhiều lần mà nguyên nhân là do ráp nối các phần của gen gián đoạn (splicing) theo nhiều kiểu khác nhau và các biến đổi protein sau dịch mã. Chính điều này dẫn đến khủng hoảng trong định nghĩa về gen ở thời điểm hiện tại, khi mà quan niệm truyền thống cho đến cuối thế kỉ XX là một gen – một protein. Số protein cần xác định có thể là 8 triệu hoặc nhiều hơn. Cấu trúc Bộ gen người rất phức tạp, mà gần 50% các gen chưa biết chức năng. Nói chung, sự đa dạng các dữ liệu là một thách thức lớn. Một trong những nhiệm vụ hàng đầu của Bioinformatics là so sánh các dữ liệu kí tự chuỗi để tìm các đoạn tương đồng và có chức năng chuyên biệt. Vấn đề trung tâm là sự biểu hiện gen. Thời đại sau bộ gen (Post−Genomics Era) đã bắt đầu với các xu hướng chủ yếu : – Sử dụng các công cụ và công nghệ để khai thác bộ gen người. Nghiên cứu Genomics cấu trúc (Structural genomics) để tiến tới hiểu Genomics chức năng (Functional genomics). Dựa vào Genomics để nghiên cứu Proteomics. Tiếp tục phát hiện gen dựa trên bản đồ (Map-based gene discovery) để đi đến phát hiện gen dựa trên trình tự base (Sequence-based gene discovery). Từ các rối loạn đơn gen (Monogenic disorders) tìm hiểu các rối loạn đa gen (Multifactorial disorders). – Sinh học phát triển ở mức cao hơn như Sinh học các hệ thống (the Systems Biology) và Sinh học tế bào. Từ phân tích một gen tiến tới phân tích nhiều gen trong các họ gen hay các con đường trao đổi chất. Xác định các tương tác của nhiều gen và sự điều hòa biểu hiện gen trong tế bào. – Sự phát triển hàng loạt các công nghệ then chốt (key tehnologies) mới do sự tích hợp và chuyên hóa khoa học như Tin − sinh học (Bioinformatics), Biochip và microarrays, Công nghệ sinh học nano (Nanobiotechnology),… Bộ gen người đánh dấu đỉnh cao của Sinh học thế kỉ XX, đồng thời nó mở ra những chân trời mới trong nghiên cứu sự sống ở cấp độ phức tạp hơn. Đó là sự tương tác giữa những phân tử của các hệ thống và sự tích hợp trong vận hành các hệ thống của từng tế bào theo chương trình phát triển của từng cá thể. Sinh học thế kỉ XXI bước vào thời đại sau bộ gen (post-genomics era) với những lối tiếp cận hoàn toàn mới cho Sinh học tế bào. III. MÔI QUAN HỆ VỚI CÁC NGÀNH KHOA HỌC KHÁC Sinh học tế bào môn cơ bản của sinh học, nó có quan hệ với nhiều ngành khoa học tự nhiên và xã hội khác, đồng thời góp phần rất lớn cho hoạt động thực tiễn của xã hội loài người. 1. Mối quan hệ với các ngành sinh học Sinh giới có nhiều mức độ tổ chức khác nhau. Tế bào là cấu trúc nhỏ nhất có biểu hiện đầy đủ các tính chất của sự sống, nên việc nghiên cứu nó giúp hiểu ngay tận gốc các 7 cơ nguyên sống của toàn bộ sinh giới. Tế bào quan trọng đối với sinh học như phân tử đối với hóa học. Các sinh vật có cấu trúc hóa học rất phức tạp từ những chất đơn giản đến các đại phân tử sinh học. Tuy nhiên, chỉ các chất hóa học phức tạp chưa đủ để có hoạt động sống, chúng phải được tổ chức lại trong các phức hệ phân tử của nhiều bào quan với những chức năng chuyên biệt khác nhau để hình thành tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống. Các đặc tính của sự sống chỉ biểu hiện thống nhất, đồng bộ, hài hòa, đầy đủ ở mức tế bào và cao hơn. Việc hiểu rõ cấu trúc của tế bào là cơ sở để nắm vững các kiến thức của bất kì lĩnh vực nào của các khoa học về sự sống. Các thành tự của Sinh học tế bào góp phần tích cực cho sự phát triển của tất cả các lĩnh vực của Sinh học. Ngược lại, các tiến bộ của các bộ môn Sinh học làm cho Sinh học tế bào phongphú và chi tiết hơn. Ví dụ, kĩ thuật di truyền đã tạo nên cuộc cách mạng nhỏ (mini-revolution) trong nghiên cứu về màng tế bào, tín hiệu tế bào (cell signalling),…. Các lĩnh vực của Sinh học có đóng góp chủ yếu cho sự hiểu biết về các cấu trúc và chức năng của tế bào gồm : – Hóa sinh học làm rõ các cấu trúc phân tử và các thành phần của tế bào được tinh sạch. – Di truyền học phát hiện những hậu quả do đột biến gây ra và nhờ đó gắn kết từng protein cụ thể với các quá trình khác nhau trong tế bào. – Genomics (Khoa học về bộ gen) phát hiện những khác biệt trong cấu trúc và biểu hiện của các bộ gen nguyên vẹn. – Sinh học phát triển tìm các tính chất của những tế bào biệt hóa. 2. Mối quan hệ với các ngành khoa học tự nhiên Những thành tựu rực rỡ của Sinh học không thể tách rời các tiến bộ kĩ thuật do vật lí và hóa học, tin học đem lại. Đó là kính hiển vi điện tử, máy siêu li tâm, kĩ thuật đánh dấu đồng vị phóng xạ các phân tử, điện di (electrophoresis), sắc kí ái lực (affinity chromatography) có thể tách những phân tử phức tạp như các kháng thể đơn dòng, điện định vị hai chiều (bidimensionel electrofocalisation) cho phép phân tích cùng lúc đến 50000 loại protein của tế bào, vi phân tích (micro-analysis) giúp xác định cấu trúc bậc một của protein chỉ với vài nanogram chất hay phân tích các polysaccharide gắn với protein trong các glucoprotein. Đặc biệt sự ra đời của Tế bào học gắn liền với phát minh ra kính hiển vi, mà các cải tiến của nó tiến triển không ngừng với các chủng loại đa dạng và độ phân giải ngày càng cao như kính hiển vi huỳnh quang, hiển vi điện tử, kính hiển vi đồng tụ điểm (confocal microscope) và kính hiển vi tách lớp (deconvolution microscopy). Nhiều phương pháp vật lí, hóa học hiện đại như sử dụng tia laser, cộng hưởng từ hạt nhân (NMR : Nuclear magnetic resonance), khối phổ (Mass spectroscopy), phân tích tinh thể protein và cấu trúc bộ gen bằng tia X (X-ray cristallography) đã được sử dụng phổ biến. Các máy tự động ra đời rút ngắn đáng kể thời gian nghiên cứu. 3. Mối quan hệ với tin học Khoa học của thế kỷ 20 phát triển đến chóng mặt với tốc độ ngày càng nhanh hơn. Sự hòa hợp của hai lĩnh vực hàng đầu là Sinh học và Tin học ở ngay những năm cuối, đánh dấu đỉnh cao của khoa học, được coi như “cuộc ráp nối của thế kỉ”. Tin học can thiệp vào 8 Sinh học ở ba mức độ : thu số liệu, khai thác sử dụng và điều khiển chúng. Tin học đã ghi đậm dấu ấn không thể thiếu được trong thành công của Bộ gen người. Tin-sinh học (Bioinformatics) là sản phẩm của sự ráp nối. Thuật ngữ Tin-sinh học (Bioinformatics) được Hwa Lim nêu ra năm 1987 dựa trên cơ sở thông tin sinh học được bảo tồn và truyền đạt bởi DNA. Hiện nay, Bioinformatics có thể hiểu là việc sử dụng công nghệ điện toán tiên tiến để thấu hiểu và tích hợp các dữ liệu sinh học (sinh học phân tử và di truyền học) đặc biệt là hiểu căn cơ mê cung của các cấu trúc phức tạp và chức năng của các cấu phần (components) riêng lẻ của tế bào sống trong mối quan hệ hài hòa với toàn bộ cơ thể. Vấn đề trung tâm của hoạt động tương hổ giửa tin học và sinh học là thông qua việc xây dựng các đối tượng sinh học nhân tạo (các gen và protein) nhờ điện toán rồi sau đó quay lại thí nghiệm để kiểm tra và chỉnh lý. Đây sẽ là phương tiện hữu hiệu gắn chặt các sáng tạo tin học và sinh học với nhau. Và như vậy, ngoài các phương pháp thông thường của sinh học như thí nghiệm trong cơ thể sinh vật (in vivo), thí nghiệm trong ống nghiệm (in vitro) như cắt, nối, sao chép DNA, còn có thể thêm thí nghiệm sinh học trên máy điện toán (in silico). Nếu nhớ lại rằng nhờ phát minh ra mô hình cấu trúc DNA (1953) dẫn đến nghiên cứu tính di truyền trong ống nghiệm (in vitro) đã thúc đẩy sinh học phân tử phát triển nhanh đến mức chưa lường hết được các thành tựu sắp tới, thì phương pháp mới nghiên cứu sinh học trên máy điện toán (in silico) sẽ có ý nghĩa quan trọng cỡ nào. Đặc biệt trong những năm đầu thế kỉ này, Tin học thể hiện vai trò to lớn chưa tùng có trong thời đại sau bộ gen và đứng trước nhiều thách thức. Nhiều lĩnh vực mới hình thành góp phần tích cực cho sự phát triển Sinh học tế bào như Cell imaging (Tượng hình tế bào) hay tượng hình kĩ thuật số (digital imaging) : dựa vào các hình ảnh nhận được xây dựng mô hình cấu trúc phân tử hoặc gắn kết các cấu trúc thành hệ thống. Công nghệ này góp phần tích cực cho nghiên cứu Genomics, Proteomics và Sinh học tế bào. Những kĩ thuật tiên tiến thời thượng này vừa là cơ sở vững chắc cho sự phát triển nhanh và hiệu quả cao hơn của Y sinh học thế kỉ XXI. Sự hiểu biết các gen và sản phẩm của chúng có vai trò thiết yếu trong ghi nhận sự vận hành của các tế bào, các mô, cơ quan và toàn bộ cơ thể. Sự hiểu biết chi tiết các vấn đề này đòi hỏi vài cấp độ thông tin. Ở các cấp độ gen và sản phẩm gen, các kĩ thuật in vivo, đo sự biểu hiện protein vào thời điểm cụ thể, vi trí, sự biến đổi và hoạt tính sẽ là những vấn đề then chốt. Bản đồ tương tác toàn bộ các protein trong tế bào và vị trí của chúng sẽ là họa đồ (atlas) cho các khai thác sinh y học của trao đổi chất tế bào trong nhiều thế kỉ tới. 4. Anh hưởng xã hội của Sinh học tế bào Đặc điểm của cuộc cách mạng sinh học mới hiện nay là không những tác động làm tốt hơn các nhu cầu sống của con người, mà còn có thể tác động trực tiếp làm biến đổi bản thân con ngừơi. Đặc biệt, sự can thiệp vào tế bào động vật có vú dễ áp dụng cho tế bào người là vấn đề nhạy cảm với xã hội. Trong vài thập niên gần đây, nhiều ứng dụng của Kĩ thuật di truyền và Công nghệ tế bào động vật đã gây nên nhưng cuộc tranh cãi gay gắt với các quan điểm trái ngược nhau. Điều đó cho thấy rõ vai trò quan trọng của Sinh học tế bào trong đời sống, vì các công nghệ mang tính cách mạng có tác động rất lớn đối với xã hội theo nhiều hướng khác nhau như hậu quả về kinh tế, xã hội và đạo đức. Đạo lí sinh học (Bioethics) là vấn đề trung tâm của các tranh luận biểu hiện ở hai mặt chủ yếu : các vấn đề tâm lí - xã hội và những thí nghiệm phi đạo lí. 9 Đạo lí sinh học không phải là vấn đề mới, nó đã được nêu lên từ thời Hypocrates. Vấn đề đầu tiên được đề cập đến là chết tự nguyện. Tiếp sau là vấn đề sinh sản nhân tạo (IVF). Năm 1983, UNESCO đã thành lập Ủy ban quốc tế về đạo lí sinh học IBC (International Bioethics Commitee). Tổ chức này đã nêu các dự án, thu thập ý kiến để đi đến các luật lệ về đạo đức sinh học. Ủy ban tuyên bố rằng “Bộ gen người là tài sản chung của loài người”. Các vấn đề tâm lí - xã hội nảy sinh khi ứng dụng công nghệ tế bào. Ví dụ, các biện pháp sinh sản nhân tạo như : bơm tinh nhân tạo (artificial insemination − AI), thụ tinh trong ống nghiệm (in vitro fertilization − IVF) đã gặp sự phản đối của các tổ chức tôn giáo. Ngoài ra, một số sự cố do thụ tinh trong ống nghiệm như sinh ra nhiều hơn 2 trẻ em, mà chúng có một số biểu hiện một số bệnh, gây lo ngại cho xã hội. Một vấn đề cũng gây tranh cải là mang thai hộ cho người khác (từ năm 1983 đã có người mẹ mang thai hộ đầu tiên và cần đặt ra luật lệ mới. Các thí nghiệm phi đạo lí : Vấn đề mà loài người lo sợ hơn cả là một số thí nghiệm tạo ra các sản phẩm không hoàn chỉnh mà xã hội phải chịu hậu quả hoặc vài cá nhân có thể lợi dụng Công nghệ gen và tế bào tạo ra các dạng sinh vật phi đạo lí. Điều này cần được sớm ngăn chặn. Tuy nhiên, hiện vẫn còn nhiều tranh cãi và chưa có sự nhất trí. Ví dụ, năm 2001, sau phát hiện tế bào gốc soma, ở Mĩ đã cấm các nghiên cứu xa hơn vì sợ dẫn đến tạo dòng người (human cloning). Vấn đề này hiện còn bàn cải vì cấm thì khoa học không phát triển ở lĩnh vực tương ứng. Gần đây, thành công về nghiên cứu tế bào gốc ở Hàn Quốc và một số nước khác làm Mĩ có thể xem xét lại vấn đề này. Cộng đồng châu Âu và một số nước đã nêu ra các luật lệ để kiểm soát các nghiên cứu tế bào gốc. Những người bảo vệ môi sinh kịch liệt phản đối việc tạo dòng người và cả GMO (Genetically Modified Organism – Các sinh vật biến đổi gen). Trong khi đó, J. Lederberg (giải Nobel về y học) bảo vệ quan điểm cần tạo dòng người như phương tiện để sản sinh ra “các cá thể ưu việt”. H. Varmus, tổng giám đốc của NIH (National institutes of Health), đã giải trình trước Quốc hội Mĩ rằng : "Trong một số tình huống hiếm hoi, nó có thể có lợi như một đứa bé được tạo ra từ tủy sống của người đàn ông bất thụ, khi sử dụng tế bào trứng của mẹ”. Tạo dòng con người ? Qua nhiều năm, khi nghiên cứu sinh học sinh sản động vật có vú và chuyển gen các loài động vật có vú phát triển, có vẻ như khả năng tạo dòng một con người sẽ thật sự xảy ra vào một thời điểm nào đó trong tương lai. Nhận thức này trở thành hiện thực vào năm 1997, khi cừu Dolly ra đời và tiếp sau là phát hiện tế bào gốc soma vào 1998. Hiện nay, không quá cường điệu để tin rằng có thể tạo dòng con người. Chính vì vậy thông báo về cừu Dolly, mà các báo gọi ngắn gọn là “sinh sản vô tính” , đã làm xôn xao dư luận trên thế giới, đến nỗi các tổng thống Mỹ, Pháp và nghị viện Anh phải lên tiếng. Không cần thắc mắc, việc dòng hoá con người đang là một đề tài gây nhiều tranh cãi và bị công kích mạnh. Vào thời điểm hiện nay, những nghiêm cấm luật pháp này phải có đủ hiệu lực ngăn chặn việc tạo dòng con người. Tuy nhiên, câu hỏi liệu việc dòng hoá con người có đáng để thực hiện không sẽ phải được giải đáp. Nhiều người cho rằng, về mặt đạo lý nhiều thí nghiệm tương tự không được phép tiến hành ở con người. Trong thập ki 1990, Nghị viện châu Âu đã thông qua 3 luật cấm các thí nghiệm liên quan đến đạo lý. Cấp bằng sáng chế cho những nghiên cứu sinh vật đa bào : Việc cấp bằng sáng chế cho những nghiên cứu sinh vật đa bào (do chuyển gen hay nhân bản vô tính) vẫn tiếp tục gây lo lắng về khía cạnh đạo đức và xã hội. Tuy nhiên, hiện nay, việc cấp bằng 10 [...]... rằng tế bào bệnh bắt nguồn từ tế bào bình thường và sự sai hỏng chức năng tế bào gây ra bệnh Cuối thế kỉ 19, hiểu rằng sự tăng trưởng của sinh vật đa bào nhờ sự phân bào 18 3 Sự phát triển của sinh học tế bào trong thế kỉ 20 Đầu thế kỉ 20, di truyền học phát triển giúp hiểu rõ vai trò của nhiễm sắc thể (NST) và chứng minh gen là locus trên NST Sự phát triển di truyền học kéo theo sự phát triển của sinh. .. phát triển của Sinh học phân tử tế bào cho thấy hoạt động của tế bào càng nghiên cứu càng thấy hết sức phức tạp Điều đó đặt ra nhiệm vụ nặng nề hơn cho Sinh học thế kỉ XXI với những lối tiếp cận hoàn toàn mới cho Sinh học tế bào Sinh học tế bào là môn cơ bản của sinh học, nó có quan hệ với nhiều ngành khoa học tự nhiên và xã hội khác, đặc biệt là sự đóng góp không thể thiếu được của Tin học vào sự... khai thác Sinh họctế bào ở trình độ cao hơn trong thế kỉ 21 4 Sinh học tế bào trong thế kỷ XXI Sinh học thế kỉ 21 bước vào thời đại sau bộ gen (post-genomics era), mà trọng tâm là Sinh học tế bào Genomics, Proteomics, các phương tiện kĩ thuật mới cộng với sức mạnh của Công nghệ thông tin mở ra những lối tiếp cận hoàn toàn mới để hiểu sâu đến chi tiết hoạt động tổng thể vô cùng phức tạp của tế bào Một... gen là gì ? 6 Sinh học tế bào có vai tò như thế nào trong nghiên cứu Sinh học ? 7 Trong thập niên cuối thế kỉ XX, Sinh học tế bào đã có những phát hiện mới nào ? 8 Bộ gen người có ý nghĩa như thế nào cho sự phát triển Sin học tế bào ? 9 Thời đại sau Bộ gen có những đặc điểm gì ? 10 Sinh học tế bào có mối quan hệ như thế nào với các ngành khoa học khác ? 11 Bioinformatics có vai trò như thế nào trong... sự hình thành tế bào ngẫu nhiên từ chất vô sinh Thời này học thuyết tế bào gồm 2 nội dung : – Tất cả sinh vật đều cấu tạo từ các tế bào và sản phẩm của chúng – Các tế bào mới đưọc tạo ra từ sự phân chia những tế bào trước đó Năm 1862, nhà bác học Pháp Louis Pasteur đã tiến hành thí ngiệm rõ ràng, chứng minh chắc chắn rằng sự sống không tự ngẫu sinh Sau đó các phát minh khác về tế bào học lần lượt ra... cho việc cải thiện toàn điện chất lượng cuộc sống của con người V CÁC NGUYÊN TẮC CHUNG TRONG NGHIÊN CÚU SINH HỌC Sinh học tế bào là một bộ môn của Sinh học, nên các nghiên cứu của nó phải tuân thủ những nguyên tắc chung của ngành học 1 Nguyên tắc thứ nhất : các kiến thức sinh học phải nằm trong hệ thống tiến hóa của thế giới sinh vật Con số các đối tượng sinh vật được dùng trong nghiên cứu rất nhỏ so... triển của lĩnh vực này Sinh học tế bào có nhiều ứng thực tiễn như : Công nghệ nuôi tế bào động thực vật, sinh sản nhân tạo, nhẩn bản vô tính động vật, công nghệ tế bào gốc, Một thành tựu mới hứa hẹn nhiều thành tựu mới trong tương lai là việc tạo ra tế bào với bộ gen tối thiểu (minimal genome) và tế bào nhân tạo (artificial cell) Sinh học tế bào có lịch sử phát triển lâu dài, sự ra đời của Học thuyết tế. .. sinh học tế bào Các quá trình nguyên phân và giảm phân được hiểu chi tiết hơn Thời này, học thuyết tế bào hiện đại khẳng định rằng tất cả các sinh vật đều cấu tạo nên từ tế bào và các sản phẩm của tế bào, những tế bào mới được tạo nên từ sự phân chia của những tế bào trước nó, có sự giống nhau căn bản về thành phần hóa học và các hoạt tính trao đổi chất giữa tất cả các loại tế bào và hoạt động của cơ... của Học thuyết tế bào là một cột mốc quan trọng Sinh học tế bào trong thế kỉ XX phát triên nhanh đạt nhiều thành tựu quan trọng và nó trọng tâm phát triển của Sinh học thế kỉ XXI CÂU HỎI ÔN TẬP 1 Vì sao nói sự sống bắt đầu từ tế bào ? 2 Sinh giới đa dạng nhưng thống nhấ trên cơ sở nào ? 3 Xét về cấu trúc cănbản có mấy loại tế bào ? 4 Dự án Bộ gen người đạt được kết quả và có nghĩa như thế nào? 5 Thời... các loại tế bào và hoạt động của cơ thể là sự tích hợp hoạt tính của các đơn vị tế bào độc lập Trong nữa cuối thế kỉ 20, các nghiên cứu được tiến hành bởi các nhà sinh hoá học di truyển học và hình thái học, đã hội tụ cho sự ra đời của sinh học phân tử của tế bào, mà nó không ngừng phát triển và phát hiện ra nhiều tính chất mới của tế bào như đã nêu trên Đặc biệt, việc công bố Bộ gen người, có thể nói . thác Sinh họctế bào ở trình độ cao hơn trong thế kỉ 21. 4. Sinh học tế bào trong thế kỷ XXI Sinh học thế kỉ 21 bước vào thời đại sau bộ gen (post-genomics era), mà trọng tâm là Sinh học tế bào. . triển chung, Sinh học thế kỉ XXI sẽ tiến lên các cấp độ tổ chức cao hơn là Sinh học của các hệ thống và tế bào. Như vậy, đối tượng trọng tâm của thế kỉ XXI sẽ là tế bào mà hoạt động của nó càng. protein trong tế bào và vị trí của chúng sẽ là họa đồ (atlas) cho các khai thác sinh y học của trao đổi chất tế bào trong nhiều thế kỉ tới. 4. Anh hưởng xã hội của Sinh học tế bào Đặc điểm của cuộc