an toan sinh học ứng dụng của DNA tái tổ hợp

Các ứng dụng của công nghệ DNA tái tổ hợp 1. Ứng dụng của DNA tái tổ hợp trong nông nghiệp Có thể nói đây là lĩnh vực được ứng dụng rộng rãi nhất của Công nghệ DNA tái tổ hợp vì nó không chỉ tạo ra các sản phẩm GMO mang những tính trạng mong muốn như tăng năng xuất, tăng chất lượng, kháng lại sâu bệnh… mà góp phần giải quyết các vấn đề xã hội như xóa đói giảm nghèo, đảm bảo an ninh lương thực thế giới…

I Công nghệ DNA tái tổ hợp

• Công nghệ DNA tái tổ hợp là tập hợp các kỹ thuật tạo nên các phân tử DNA tái tổ hợp để nhằm đưa các gen mong muốn vào các tế bào hay cơ thể sống AND tái tổ hợp có thể được tạo ra từ hai hay nhiều đoạn AND(hoặc ARN) có nguồn gốc khác nhau, hoặc từ AND của các cá thể thuộc các loài khác nhau Như vậy, có thể nói các GMO đều là sản phẩm của công nghệ DNA tái tổ hợp, hay công nghệ DNA tái tổ hợp là cơ sở tạo nên GMO

• Công nghệ DNA tái tổ hợp bao gồm các bước chính:

+ Tạo ADN tái tổ hợp

+ Chuyển ADN tái tổ hợp vào tế bào nhận

+ Tách dòng chứa ADN tái tổ hợp

• Mục đích:

1 Phân lập các gen từ hỗn hợp nhiều gen trong tế bào, để có thể phân tích và nghiên cứu từng gen riêng lẻ

2 Nhân một dòng gen đã được phân lập lên một số lượng lớn, để đáp ứng đủ cho nhu cầu 5 nghiên cứu

3 Khả năng tạo ra những gen/tổ hợp gen mới

 Thực tế đã cho thấy rằng hơn hai thập kỷ qua, sự bùng nổ của công nghệ gen và đặc biệt là các ứng dụng trong nông nghiệp, đã tạo bước đột phá trong phát triển khoa học và nhiều ngành kinh tế - kỹ thuật khác của loài người, có ảnh hưởng lớn lao đến sản xuất – môi trường – xã hội và cuộc sống

II Các ứng dụng của công nghệ DNA tái tổ hợp

1 Ứng dụng của DNA tái tổ hợp trong nông nghiệp

Có thể nói đây là lĩnh vực được ứng dụng rộng rãi nhất của Công nghệ DNA tái tổ hợp vì nó không chỉ tạo ra các sản phẩm GMO mang những tính trạng mong muốn như tăng năng xuất, tăng chất lượng, kháng lại sâu bệnh… mà góp phần giải quyết các vấn đề xã hội như xóa đói giảm nghèo, đảm bảo an ninh lương thực thế giới…

 Thực vật chuyển gen

 Cải thiện được chất lượng thực phẩm, làm tăng giá trị dinh dưỡng hoặc những tính trạng thích hợp cho công nghệ chế biến

 Có khả năng kháng được nhiều loại sâu bọ, kháng thuốc diệt cỏ…góp phần tăng năng suất cây trồng

 Ứng dụng việc biến đổi gen vào cây trồng như: Ngô, lúa, đậu, khoai tây… sẽ giúp cho sản lượng nông sản tăng gấp đôi thậm chí là gấp 3 lần so với dùng phương pháp gây trồng truyền thống đồng thời giảm sức lao động cho người nông dân

 Hoa hồng BĐG:

Hoa hồng truyền thống chỉ có hai màu đỏ và trắng, nhưng Những bông

hoa hồng xanh, có tên là Applause, đã được tạo ra bằng phương pháp biến

đổi gen để thay đổi màu sắc của cánh hoa Và Hoa hồng xanh là kết quả nghiên cứu trong vòng 20 năm của công ty Suntory (Nhật Bản)

 Gạo vàng giàu Vitamin A:

Gạo vàng giàu vitamin A Gạo vàng (Golden rice) là thực phẩm cây trồng chuyển gen (GM) được xếp đầu bảng, sản phẩm chống đói, tăng cường sức khỏe tốt nhất cho con người, đặc biệt là cung cấp vitamin A (beta-carotene) rất cần cho cơ thể trẻ nhỏ, hạn chế nguy

cơ gây mù lòa bởi theo số liệu thống kê hiện nay trên thế giới mỗi năm có khoảng nửa triệu trẻ em mắc phải căn bệnh này, lý do chính

là bị thiếu vitamin A Gạo vàng 2 có hàm lượng beta-carotene cao gấp 20 lần so với gạo vàng thông thường

 Lúa chuyển gen Bt cho năng xuất cao, giảm áp lực sâu hại:

Các nhà khoa học đã sử dụng một gen hợp nhất Bt và đưa gien chuyển đổi này vào các tế bào cây mầm Các tác giả đã chứng minh được gien dung nạp Bt tiêu diệt 100% ấu trùng sâu đục thân màu vàng và sọc nâu trong vòng 1 tuần bị nhiễm mà không gây bất cứ ảnh hưởng nào tới sản lượng Các biện pháp kiểm soát sâu bệnh như phun thuốc trừ sâu hầu như không có hiệu quả do ấu trùng sâu

bệnh tấn công ở trong thân cây Trước đây, các nỗ lực nhằm đưa tính kháng sâu đục thân vàng bằng các biện pháp nhân giống thông thường đã không thu được kết quả do thiếu các gen thích hợp trong nguồn gen cây lúa Việc chuyển nạp gien mang độc tố Bt từ khuẩn đất Bacillus thuringiensis đã khắc phục tình trạng trên Độc tố Bt có thể tiêu diệt một số loại ấu trùng gây bệnh

 Đu đủ kháng bệnh đốm vòng do virus:

Xếp thứ 2 trong danh sách là giống đu đủ GM kháng được bệnh đốm vòng

do virus có tên là PRSVV (Papaya ringspot virus) gây ra làm hại nhiều bộ phận khác nhau của đủ đủ, từ lá, quả, thân cho đến cuống lá

Giống đu đủ GM này đã được trồng nhiều ở Tha Pra, Thái Lan, từ năm 2004 cho sản lượng cao, khỏe và được xem là sản phẩm rất có lợi cho sức khỏe con người và cho nông dân

 Lúa chịu hạn và lụt:

Một trong những sản phẩm GM có khả năng giúp con người khắc phục nạn đói thiếu lương thực là loại lúa GM chịu được hạn hán, lũ lụt có tên là SNORKEL1 và SNORKEL2 Đây là những giống lúa mới do các nhà khoa học Nhật Bản tạo ra có năng suất cao thân cao rất phù hợp ở những chân ruộng thường xuyên bị úng lụt như Thái Lan và Campuchia

Để tạo ra giống lúa này các nhà khoa học đã tìm ra cặp gen có tên là

SNORKEL giúp cho cây trồng phát triển nhanh khi sống trong môi trường nước nhiều giúp lá phát triển trên mặt nước Mỗi khi nước dâng cao, lúa lại tích lũy hormone ethylene hormone này đến lượt nó kích hoạt các gen

SNORKEL làm cho thân lúa phát triển nhanh và cứng cáp hơn

 Cà chua giàu chất chống ôxi hóa

Các chuyên gia Trung tâm Nghiên cứu John Inne Centre ở Anh đã tạo ra một loại cà chua chuyển gen rất đặc biệt có hàm lượng anthocyanins rất cao, đây là chất chống ôxi hóa có tác dụng giảm được rất nhiều bệnh cho con người, trong đó có bệnh ung thư Người ta coi đây là thực phẩm chữa bệnh

và cũng là tiêu chí làm tăng giá trị kinh tế cho sản phẩm nông nghiệp bởi giàu chất chống ôxi giống như có trong các loại quả mọng như dâu tây, mâm xôi, nho…

Để tạo ra giống cà chua này các nhà khoa học đã sử dụng các gen có trong loài hoa của cây kim ngũ thảo (Snapdragon) cài xen vào hệ gen của cây cà chua Qua thử nghiệm trên chuột cho thấy những con chuột được ăn khoảng 10% bột của loại cà chua này có tuổi thọ cao hơn so với những con chuột ăn

các loại cà chua thông thường Ngoài tác dụng chữa bệnh giống cà chua nói trên còn được xem là sản phẩm “cứu cánh” cho người nông dân trong bối cảnh an ninh lương thực bị khủng hoảng, đặc biệt nó có sức đề kháng tốt, chịu được sâu bệnh và cho năng suất cao hơn hẳn so với cà chua truyền thống

 5 Ngô chuyển gen giàu dưỡng chất

Ngô được xem là sản phẩm chủ đạo của công nghệ chuyển gen, nó không chỉ cho năng suất cao, chịu được sâu bệnh mà còn có hàm lượng dưỡng chất hữu ích cho người tiêu dùng Để tạo được giống ngô GM giàu dưỡng chất, các nhà khoa học đã cài xen vào ngô 7 gen, tạo ra tới 4 loại vitamin khác nhau

Có hàm lượng vitamin C cao gấp 6 lần và vitamin C, E gấp 3 lần so với ngô truyền thống Giống ngô mới này hiện đang được các chuyên gia ở ĐH Lleida của Tây Ban Nha trồng thử nghiệm và dự kiến sẽ có mặt trên thị trường trong tương lai gần

 6 Chuối chuyển gen chống suy dinh dưỡng

là chuối chuyển gen, sản phẩm rất phổ biến ở các quốc gia châu Phi, đặc biệt

là Uganda nơi được coi là thực phẩm chủ đạo, trung bình mỗi người dân Uganda ăn tới 1 kg chuối/ ngày Mặt trái của loại chuối khi dùng làm thực phẩm là thiếu hụt sắt và vitamin A nên nhiều người dân ở đây bị suy dinh dưỡng

Để hạn chế tình trạng này các chuyên gia ở ĐH Bách khoa Queenland (Australia) đã lai tạo cho ra đời giống chuối chuyển gen có tên là Cavendish Banana, có hàm lượng sắt và beta carotene cao Giống chuối mới này hiện đang được trồng thử nghiệm tại Australia và sẽ đưa sang trồng tại Uganda

 Cây cải dầu BĐG

Cây cải dầu là một loại cây được biến đổi gen từ hạt cải dầu, do các nhà nhân giống thực vật Canada phát triển với mục đích biến đổi chất lượng dinh dưỡng, đặc biệt là hàm lượng chất béo hòa tan của loại cây này

Cây cải dầu được biến đổi gen để mang các tính trạng như khả năng chịu thuốc diệt

cỏ, có hàm lượng laurate và axit oleic cao với lượng dầu từ 40% đến 50%, cải dầu là cây thích hợp để dùng làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh họcDầu được ép ra từ cây cải dầu, phần còn lại được dùng trong công nghiệp sản xuất thức ăn cho gia súc

 Đậu tương bđg cho năng xuất cao

sử dụng giống đậu tương biến đổi gen sẽ giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất Hiện, đậu tương là cây biến đổi gen chiếm diện tích lớn nhất trong tổng diện tích cây biến đổi gen trên toàn thế giới (60%); sau đó đến ngô (22%) và bông vải (11%).Tại Việt Nam, đậu tương là cây thực phẩm quan trọng, tuy nhiên năng suất cây trồng này còn thấp, bình quân chỉ khoảng 1,9 tấn/ha Vì vậy, việc sử dụng giống đậu tương biến đổi gen có các đặc tính như kháng sâu hoặc chống chịu hạn tốt là giải pháp giúp nâng cao năng suất đậu tương

 Cây bông được chuyển gen chống sâu đục quả:

Qua phân tích thế hệ cây bông thể hiện RNA mạch kép Ấu trùng sâu đục quả biểu hiện chậm phát triển và các cây bông chuyển gen đã thiệt hại ít hơn khi kiểm soát sâu đục quả Sau khi sử dụng các kỹ thuật khuếch đại, mức độ biểu hiện CYP6AE14 được quan sát thấy làm giảm ấu trùng, sớm nhất là bốn giờ sau khi ăn trên cây bông chuyển gen, cùng với việc giảm hàm lượng protein CYP6AE14 Như vậy, cây bông biến đổi gen có tính kháng tốt hơn đối với sâu

bollworms và can thiệp RNA là một cách hiệu quả để phát triển trồng bông vải chống côn trùng

 Khoai tây chứa Amylopectin:

Các giống khoai tây bình thường có chứa hai loại tinh bột: amylose

và amylopectin, trong đó amylopectin được dùng rộng rãi trong

ngành công nghiệp chế tạo giấy, dệt… Theo phương pháp truyền thống, nếu muốn sử dụng amylopectin trong khoai tây sẽ phải qua khâu tách lọc khá tốn năng lượng và chi phí Hàng năm đều cần đến 500.000 tấn amylopectin nguyên chất nên các nhà khoa học Đức đã

áp dụng “kỹ thuật đột biến gene định hướng” để tạo ra loại khoai tây mới nói trên Bên ngoài vẫn giống khoai tây bình thường nhưng ở giống mới này chỉ có gene chịu trách nhiệm sản xuất amylopectin hoạt động để tạo ra thuần chất amylopectin

 Cây thuốc lá biến đổi gen có khả năng kháng thuốc diệt cỏ:

Cây thuốc lá biến đổi gen là GMC đầu tiên được trồng thử nghiệm trên đồng ruộng Các nhà khoa học gây biến đổi gene ở cây thuốc lá để chúng kháng thuốc diệt cỏ, rồi trồng thử nghiệm tại Mỹ và Pháp vào năm 1986 Một thập kỷ sau đó cây trồng biến đổi gene bắt đầu được trồng đại trà với mục đích thương mại

 ứng dụng trong lâm nghiệp

Cây được biến đổi gen để phát triển nhanh hơn, sản lượng gỗ tốt hơn và thậm chí

có thể phát hiện các cuộc tấn công sinh học,có thể giúp đảo ngược tình trạng phá rừng trong khi vẫn đáp ứng nhu cầu cho các sản phẩm gỗ và giấy

• Động vật chuyển gen

Nhóm đầu tiên là nhóm được cải biến hầu hết các đặc tính di truyền, nâng cao các giá trị nhằm tăng giá trị

Nhóm thứ 2 là nhóm chuyển gen nhưng chỉ có một đặc tính cụ thể nào đó

là được cải thiện như sữa, trứng, thành phần máu để làm dược phẩm nhằm sản xuất và tách ly được một số thành phần cụ thể dùng làm thuốc sử dụng cho vật nuôi hoặc để kiểm tra độc tính của một số sản phẩm thực phẩm

 Cá hồi siêu tăng trưởng:

Công ty AquaBounty đã biến đổi gen của cá hồi khiến nó phát triển nhanh gấp hai lần thông thường, bức ảnh trên cho thấy hai con cá hồi cùng độ tuổi với một con được biến đổi gen ở phía sau Công ty này cho biết, loại cá hồi biến đổi gen có hương vị, cơ quan nội tạng, màu sắc và mùi giống loại cá hồi thông thường, tuy nhiên có nhiều tranh cãi xung quanh việc liệu loại cá này có đủ an toàn để ăn

 Bò sản xuất ra “sữa người”:

Các nhà khoa học thuộc trường đại học Nông nghiệp Trung Quốc đã tạo ra

300 con bò sữa được cấy gen từ con người giúp chúng có thể sản sinh ra một loại sữa có thành phần dinh dưỡng và hàm lượng chất béo giống như sữa người.

 Lợn biến đổi gen

Năm 1985 , Hammer và cộng sự đã công bố tạo được lợn chuyển gen GH bằng phương pháp giống như đã được sử dụng để tạo ra chuột khổng lồ từ năm 1982 Tháng 1/2011 , nhóm nghiên cứu Đại học Guelph đã nghiên cứu thành công “ Lợn siêu cấp” biến đổi gen , giá thành thấp và phù hợp với yêu cầu vệ sinh môi trường

 Gà chuyển gen *

Vào đầu thập niên 1990, việc chuyển gen hormone sinh trưởng vào

gà đã được nghiên cứu và phát triển Nhưng với nhiều vấn đề gây nên do sự sinh trưởng với tốc độ mạnh mẽ của gà chuyển gen

hormone sinh trưởng như vậy, ngành kỹ nghệ gia cầm đang xem xét các phương pháp sửa đổi di truyền khác để nhân giống gà cho thị trường thế giới

*Trong thế kỉ 21, chắc chắn các công ty giống sẽ trở nên ngày càng quan tâm đến các tính trạng khác hơn là tốc độ sinh trưởng Các công ty Công nghệ Sinh học cho rằng các kế hoạch của họ không chỉ tăng số lượng gà nuôi để giết thịt mà còn rút ngắn thời gian sinh trưởng của gà hoặc ngay cả việc gà có trọng lượng cơ thể lớn hơn

 Ưu điểm của GMO trong nông nghiệp:

 Đảm bảo an ninh lương thực và hạ giá thành lương thực trên thế giới.

 Bảo tồn đa dạng sinh học.

 Góp phần xoá đói giảm nghèo.

 Giảm tác hại của các hoạt động nông nghiệp đối với môi trường.

 Giảm thiểu tác hại của biến đổi khí hậu và giảm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính

 Tăng hiệu quả sản xuất nhiên liệu sinh học.

 Góp phần ổn định các lợi ích kinh tế

 Hạn chế của GMO trong nông nghiệp:

 Đối với sức khỏe con người.

 Đối với đa dạng sinh học

 Đối với môi trường

Những mối tác hại tiềm tàng của cây trồng biến đổi gen thể hiện ở những khía cạnh sau:

1/khả năng gây dị ứng, làm nhờn kháng sinh, có thể tạo ra độc tố và gây độc lâu dài cho cơ thể

2/Cây trồng kháng sâu có khả năng tiêu diệt các loại côn trùng hữu ích khác như ong, bướm

3/mang các yếu tố chọn lọc (chịu lạnh, hạn, mặn hay kháng sâu bệnh…) phát triển tràn lan trong quần thể thực vật Điều này làm mất cân bằng hệ sinh thái và làm giảm tính đa dạng sinh học của loài cây được chuyển gen

2 Ứng dụng của DNA tái tổ hợp trong công nghiệp:

a Công nghiệp sản xuất thuốc:

Isullin người :

Sản phẩm này là nguồn cung cấp vô tận cho insulin người để thay thế cho việc dùng insulin lợn và bò Việc sản xuất insulin chỉ ra khả năng ứng dụng kt ADN tái

tổ hợp vào việc sản xuất ra sản phẩm mới hoặc sp cũ nhưng với chất lượng tốt hơn Kỹ thuật này đã sản xuất được dược phẩm chũa bệnh đắt tiền và hiếm như interferon

b Trong công nghiệp thực phẩm

- hiện nay chưa có bằng chứng đảm bảo là thực phẩm biến đổi gene không gây ra những tác động tiêu cực cho sức khỏe con người, đặc biệt là về lâu dài

"Những sản phẩm này cần phải để bản thân người tiêu dùng quyết định Nhưng vấn đề đặt ra là việc ghi nhãn thực phẩm biến đổi gene ở nước ta đã trở thành quy định bắt buộc nhưng việc triển khai, kiểm tra, quản lý như thế nào là điều cần bàn và giám sát chặt“

PGS, TS Nguyễn Hồng Minh, Giám đốc trung tâm nghiên cứu và phát triển giống rau chất lượng cao cho biết, chi phí mua giống biến đổi gene đắt gấp nhiều lần giống truyền thống Số tiền này sẽ ngày càng nhiều lên khi người nông dân lệ thuộc vào các công ty cung ứng Nhưng nếu họ muốn quay trở lại với giống cây cũ thì không thể do môi trường sinh thái đã biến đổi, đầu tư nhiều tiền, nhiều thời gian, công sức cũng khó cải tạo được như cũ

sinh vật BĐG được cấp Giấy xác nhận đủ điều kiện sử dụng làm thực phẩm phải đáp ứng một trong các điều kiện sau đây:

- Sinh vật biến đổi gen được Hội đồng ATTP BĐG thẩm định hồ sơ đăng ký cấp Giấy xác nhận sinh vật BĐG đủ điều kiện sử dụng làm thực phẩm kết luận sinh vật BĐG đó không có các rủi ro không kiểm soát được đối với sức khỏe con người Sinh vật BĐG được ít nhất 5 nước phát triển cho phép sử dụng làm thực phẩm và chưa xảy ra rủi ro ở các nước đó

Dân số thế giới đã tăng lên quá 7 tỷ người và dự kiến sẽ vượt quá 12 tỷ người sau 50 năm tới Vấn đề cung cấp đủ lương thực, thực phẩm cho nhân loại là một vấn đề rất lớn Trong các giải pháp được nhiều nước quan tâm đó là việc

mở rộng việc nghiên cứu và triển khai các loại thực phẩm chuyển gen

c Lên men công nghiệp:

- Nhật Bản xem công nghệ sinh học là một ngành rất quan trọng, các ngành công nghệ sinh học cũ như lên men, sản xuất enzyme, chất phụ gia sản phẩm và thực phẩm lên men đóng một vai cực kỳ quan trọng trong công nghiệp Nhật Bản trong suốt thế kỷ qua

Không chỉ nhật bản, các nước trên thế giới đều áp dụng để dùng cho việc sản xuất bia, rượu hay bánh mỳ…

- Nấm men thông thường không thể lên men đường pentoza Tuy nhiên, khi cấy thêm một số gen cần thiết từ các loại nấm và vi khuẩn khác, một chủng nấm biến đổi gen mới có thể lên men đường pentoza đã được tạo ra Trong

số đó, dòng nấm tái tổ hợp TMB3061 được lựa chọn làm thí nghiệm, nuôi cấy bằng hỗn hợp đường xyloza và arabinoza và lựa chọn những chủng nấm

ổn định nhất, có khả năng chuyển hóa pentoza nguyên liệu thành ethanol

d Sản xuất nhiên liệu sinh học

- Trong báo cáo nghiên cứu đăng trên ấn phẩm của Viện khoa học Quốc gia (National

Academy of Sciences), các nhà khoa học tuyên bố họ đã tạo ra một chủng khuẩn E.coli biến đổi gen để sản xuất nhiên liệu sinh học Chủng khuẩn E.coli biến đổi gen mà các nhà nghiên cứu tạo ra không chuyển đổi đường thành chất béo như khuẩn E.Coli thông thường, mà

chúng sẽ chuyển đổi đường thành một loại nhiên liệu có đặc tính giống như dầu diesel

Nếu con người có thể mở rộng quy mô, loại nhiên liệu sinh học nhân tạo từ chủng

khuẩn E.coli biến đổi gen có thể trở thành nguồn thay thế khả thi cho nhiên liệu hóa thạch.

- không như ethanol, isobutanol có thể pha trộn với xăng theo bất cứ tỷ lệ nào nên không cần thiết

bị chuyên dụng cho thùng xăng hoặc xe Do vậy, có thể sử dụng trực tiếp isobutanol cho động các động cơ hiện có mà không cần phải thay đổi.

So với ethanol, các nhiên liệu có nồng độ cồn cao hơn như isobuthanol là ứng cử viên sáng giá thay thế xăng vì chúng có mật độ năng lượng, giá trị octan và áp suất hơi Reid, đơn vị đo độ bay hơi, gần giống xăng.

Mặc dù sinh khối xenlulô như rơm của cây ngô và cỏ switchgrass dồi dào và giá rẻ, nhưng sử dụng chúng để sản xuất nhiên liệu sinh học lại khó khăn hơn rất nhiều so với dùng cây ngô và cây mía Để tạo ra những chuyển hóa có thể, các nhà khoa học đã biến đổi gen chủng Clostridium cellulolyticum, một vi khuẩn bản địa phân hủy xenlulô có khả năng tổng hợp isobutanol trực tiếp từ xenlulô.

trong tự nhiên, không có vi sinh vật nào được xác định có tất cả các đặc trưng cần thiết cho ý tưởng này nên họ phải biến đổi gen chủng vi khuẩn vì mục đích này Trong số nhiều ứng cử viên, cuối cùng nhóm nghiên cứu đã lựa chọn chủng vi khuẩn Clostridium cellulolyticum đầu tiên được tách từ cỏ thối rữa để tăng sản lượng etanol.

-e Công nghiệp khai thác:

Để sử dụng vsv thiobacillus người ta phải phun tẩm ướt quặng bằng nước

đc axit hóa đến ph 1,3-3,0 bằng H2SO4, việc này sẽ kích thích quá trình oxy hóa quặng chứa S và Cu tăng khoảng 1tr lần, giúp hòa tan quặng chứa Cu2S

và H2SO4