Súng bắn gen (Gene gun) là một thiết bị sử dụng để đưa thông tin di truyền vào tế bào, được thiết kế đầu tiên cho biến nạp DNA ngoại lai vào tế bào thực vật và được phát triển vào đầu thập niên 1980 do các nhà thực vật học ở Ðại học Corrnell cùng với các nhà nghiên cứu ở Corrnell Nanofabrication Facility, Newyork, USA. Súng bắn gen được bán trên thị trường vào năm 1990. Ðạn sử dụng cho loại súng này là các hạt kim loại nặng cơ bản được bao bọc DNA. Tên chính xác và đầy đủ của súng bắn gen là hệ thống phân phối hạt biolistics (biolistic particle delivery system) và kỹ thuật này thường được gọi một cách đơn giản là biolistics (sự kết hợp giữa hai thuật ngữ biology (sinh học) và ballistics (sự bắn tung)). Mặc dù có nhiều thiết kế kỹ thuật khác nhau nhưng nguyên lý chung của phương pháp này là sử dụng áp lực xung của khí helium để gai tốc các hạt.
Hình 2.20 : Súng bắn gen (Hãng Biorad)
Súng bắn gen bao gồm hai buồng bằng thép không gỉ, kích thước 6“x7“x10“ nối với hai bơm chân không. DNA ngoại lai được gắn vào các hạt tungsten có đường kính rất nhỏ, khoảng 1μm (các kim loại năng khác như vàng và bạc cũng được sử dụng nhưng không thường xuyên do giá cả đắt). Các hạt này được đặt trên một
cái đĩa ở mặt bên trong của súng. Sự bùng nổ khí helium ở 1000psi làm cho cái đĩa bắn về phía trước với tốc độ 1300 food/s, tương đương với tốc độ khi một viên đạn rời khỏi nòng súng. Một tấm chắn làm dừng đĩa lại và các hạt vàng hay tungsten được phóng về phía các tế bào đích. Chúng xuyên qua vách tế bào và phóng thích các phân tử DNA (Hình 2.21). Súng bắn gen sử dụng kỹ thuật DNA tái tổ hợp để hợp nhất sự biểu hiện các gen đã phân phối. Các tế bào biến đổi di truyền có thể được sử dụng để tạo thực vật bao gồm cả sự sửa đổi di truyền mong muốn ở trong tất cả các tế bào của chúng (Voiland, 1999).
Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của súng bắn gen
Mục tiêu của súng bắn gen thường là callus của các tế bào thực vật giống nhau sinh trưởng trong môi trường gel trên đĩa petri. Sau khi các hạt tungsten đã va chạm vào đĩa, gel và callus bị phá vỡ nhiều. Tuy nhiên một số tế bào không bị phá vỡ khi va chạm mạnh
và đã tiếp nhận các hạt tungsten được bao bọc DNA và cuối cùng các phân tử DNA ngoại lai đã xâm nhập và hợp nhất vào nhiễm sắc thể thực vật. Các tế bào từ đĩa petri được tập hợp lại và chọn lọc các tế bào đã hợp nhất thành công và biểu hiện DNA ngoại lai bằng các kỹ thuật hóa sinh hiện đại như sử dụng gen chọn lọc nối tiếp và Northern blots.
Các tế bào đơn đã chọn lọc từ callus có thể được xử lý với một số hormone thực vật như auxin, gibberelin và mỗi một tế bào có thể phân chia, biệt hóa thành các tế bào mô, cơ quan, tế bào chuyên hóa của toàn bộ cây. Cây mới có nguồn gốc từ một tế bào nảy mầm thành công có thể mang các đặc tính di truyền mới.
Hình 2.22: Chuyển gen bằng súng bắn gen
Phương pháp này có ưu điểm là thao tác dễ dàng, có thể chuyển gen vào nhiều loại tế bào và mô, các tế bào được biến nạp có tỉ lệ sống sót cao, cho phép đưa các gen vào tế bào ở vị trí mong muốn....Do vậy nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Các ứng dụng của kỹ thuật bắn gen bao gồm
- Tạo thực vật chuyển gen: đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong lĩnh vực tạo ngũ cốc chuyển gen.
Bacillus thuringiensis là loài vi khuẩn tổng hợp ra protein crystal (crys1Ab và crys1Ac) có khả năng giết một cách chọn lọc các nhóm côn trùng nhất định. Gen mã hoá protein crystal được gọi là gen
Bt. Gen Bt đã được bắn vào mô sẹo của cây ngũ cốc (Rassmussen, 1994). Trong khi các tế bào này sửa chữa tổn thương, DNA ngoại lai xâm nhập vào genome tế bào chủ. Vì vậy cho phép tế bào chủ phiên mã và giải mã gen Bt. Sau mỗi lần quá trình biến nạp được hoàn thành người ta cũng tiến hành sàng lọc theo phương pháp truyền thống là dựa trên cơ sở các marker chọn lọc được xen vào DNA cấu trúc (Brettschneider, 1997). Các marker chọn lọc mang tính kháng (kháng thuốc kháng sinh hay kháng thuốc diệt cỏ) như kanamycin là một là một trong những marker phổ biến nhất được sử dụng.
- Tiêm chủng vaccine di truyền: các gen được đưa vào cơ thể bằng súng bắn gen với mục đích gây ra phản ứng miễn dịch với protein biểu hiện bởi gen chuyển. Phương pháp tiêm chủng vaccine này an toàn hơn các phương pháp khác bởi vì chỉ DNA ngoại lai được đưa vào và không có các protein ngoại lai (Lin, 2000).
- Liệu pháp gen tự sát (Suicide gene therapy): phương pháp bắn gen đã được sử dụng trong điều trị bệnh ung thư. Một gen biểu hiện protein gây độc có promoter đặc hiệu khối u được đưa vào các tế bào khối u. Khi protein này được biểu hiện thì tế bào khối u chết. Protein này chỉ gây độc đối với các tế bào khối u bởi vì promoter đặc hiệu cần cho sự biểu hiện chỉ được tạo ra trong các tế bào khối u (Lin, 2000).
- Sự điều biến miễn dịch (Immunomodulation): phương pháp này còn được sử dụng để chống lại ung thư. Sử dụng súng bắn gen, một protein chỉ biểu hiện trong tế bào khối u nhưng làm cho phản ứng miễn dịch tăng lên được đưa vào tế bào. Phản ứng miễn dịch tăng lên nhắm vào các tế bào khối u và hiển nhiên gây ra hiệu quả mong muốn (Lin,2000).
- Dược lý di truyền: súng bắn gen có thể được sử dụng để đưa các gen tổng hợp protein hữu ích hay protein liệu pháp vào cơ thể. Ví dụ như các yếu tố đông máu ở các cơ thể rối loạn sự đông máu hoặc tăng sự tổng hợp hồng cầu trong các cơ thể thiếu máu. Sự biểu hiện kéo dài của các gen đưa vào là một vấn đề, trong nhiều trường hợp thường đòi hỏi sự phân phối gen phức tạp (Lin, 2000).
- Súng bắn gen là một công cụ nghiên cứu: súng bắn gen có thể được sử dụng để xen các promoter mà sẽ dẫn đến sự biểu hiện của
các gen nhất định. Hiệu quả khuyếch đại các protein nhất định là một phương pháp có giá trị lớn đối với các nhà khoa học để nghiên cứu chức năng của các protein này (Lin, 2000).
X. Phương pháp chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium
Agrobacterium có khả năng xâm nhiễm tế bào thực vật bằng cách chuyển một đoạn DNA của nó vào tế bào thực vật. Khi DNA vi khuẩn được hợp nhất với nhiễm sắc thể thực vật, nó sẽ tấn công vào hệ thống tổ chức của tế bào một cách có hiệu quả và sử dụng nó để đảm bảo cho sự sinh sôi của quần thể vi khuẩn. Thật không may mắn cho các nhà trồng cây ăn quả khi gặp phải loài vi khuẩn này. Bởi vì nó chính là thủ phạm gây ra bệnh khối u hình chóp và bệnh lông rễ ở nhiều loài cây cảnh và cây ăn quả.
Mặc dù hệ thống chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium là có hiệu quả đối với một số loài nhưng không phải tất cả thực vật có thể được biến nạp bằng con đường này. Ðặc biệt, lớp một lá mầm bao gồm các cây ngũ cốc chính trên thế giới như lúa, lúa mì và ngô là không được biến nạp dễ dàng nhờ A. tumefaciens.
Ðể khai thác và sử dụng A. tumefaciens như là một vector chuyển gen các nhà khoa học đã loại bỏ các gen gây khối u và gen mã hoá opine của T - DNA và thay thế vào đó là các marker chọn lọc, trong khi vẫn duy trì các vùng bờ phải và bờ trái của T-DNA và các gen vir. Gen chuyển được xen vào giữa các vùng bờ của T- DNA. Nó sẽ được chuyển vào tế bào và trở nên hợp nhất với nhiễm sắc thể tế bào thực vật
Phương pháp chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium đã được kiểm tra đối với sự xâm nhập bền vững, sự biểu hiện và sự di truyền của các gen chuyển đặc biệt. Tuy nhiên, một vài yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả biến nạp là loại mô được biến nạp, giai đoạn phát triển của mô, mức độ khởi đầu của vi khuẩn A. tumefaciens sử dụng, môi trường để nuôi cấy mô sau khi biến nạp, marker được sử dụng để chọn lọc thể biến nạp, loại vector sử dụng và kiểu gen của thực vật.
Hình 2.23: Tạo thực vật chuyển gen bằng phương pháp chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium