Công nghệ di truyền được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực tạo ra các sản phẩm sinh học để phòng, chống bệnh bảo vệ sức khoẻ cộng đồng. Công nghệ di truyền còn được ứng dụng trong việc chẩn đoán và chữa một số bệnh di truyền.
1.1. Công nghệ di truyền trong sản xuất vaccine tái tổ hợp
Trong y học, người ta dùng vaccine để phòng ngừa các bệnh truyền nhiễm do virus, vi khuẩn gây ra. Vaccine hiện nay gồm 2 loại chính là vaccine truyền thống và vaccine tái tổ hợp.
* Vaccine truyền thống gồm 3 loại:
- Loại 1: Virus nhược độc (làm giảm độc tính bằng nuôi cấy chuyển nhiều lần hoặc bằng cách xử lý hoá chất hoặc nhiệt độ). Loại này khi tiêm vào người, chúng có khả năng nhân lên. Loại này có hiệu lực cao, tuy nhiên cũng có khả
năng độc tính của virus được phục hồi dẫn đến những hiệu ứng không mong muốn.
- Loại 2: Xác virus (giết chết virus là tác nhân gây bệnh, một trong số các thành phần vỏ của virus là kháng nguyên kích thích cơ thể sinh kháng thể). Vaccine này có tính an toàn cao nhưng hiệu lực thấp.
- Loại 3: Peptid miễn dịch được sản xuất từ các peptid tổng hợp có tính kháng nguyên. Loại này có hiệu lực cao nhưng dễ gây dị ứng.
Nhìn chung, cả 3 loại vaccin truyền thống đều có nhược điểm là dễ độc hoá trở lại, dễ gây dị ứng. Do vậy, ngày nay người ta hướng tới sản xuất vaccine tái tổ hợp gen bằng công nghệ di truyền.
* Vaccine tái tổ hợp gồm 2 loại:
- Vaccine tái tổ hợp phân tử: Vaccine tái tổ hợp phân tửđược tạo ra bằng cách ghép gen hay nạp gen kháng nguyên của đối tượng gây bệnh vào virus hoặc vi khuẩn. Virus hay vi khuẩn này sinh sản nhanh tạo ra nhiều phân tử
kháng nguyên. Các kháng nguyên này được tách chiết, tinh sạch, pha chế thành vaccine tái tổ hợp chống lại các bệnh như sốt xuất huyết, viêm gan B, sốt rét, HIV...
Ta có thể hình dung việc tạo vaccine tái tổ hợp chống bệnh sốt xuất huyết như sau:
+ Tách gen mã hoá vỏ protein (gen Den2) là mARN được sao chép từ
ARN của virus gây bệnh sốt xuất huyết.
+ Tạo ra ADN bổ sung (cADN) rồi nhân lên bằng các phản ứng PCR sẽ
thu được hàng loạt gen Den2.
+ Gắn cADN vào plasmid để tạo ADN tái tổ hợp. + Đưa ADN tái tổ hợp vào tế bào tằm dâu.
+ Dựa vào gen chỉ thị sàng lọc những thể mang tái tổ hợp và ưu tiên phát triển.
Tế bào tằm dâu sẽ tổng hợp nhiều protein tái tổ hợp có vai trò như kháng nguyên vỏ của virus xuất huyết. Protein này ở dạng tinh thể nên dễ tách chiết, tinh sạch để pha chế vaccine.
- Vaccine tái tổ hợp gen virus sống: là các virus sống đã biến nạp các gen biểu hiện protein thích hợp mang tính miễn dịch từ các cơ thể bệnh lý khác nhau. Vaccin này có nhiều ưu điểm là: cùng lúc có thể đáp ứng miễn dịch khác nhau trong cùng một cơ thể, đồng thời nó có thể ngăn cản sự kháng thuốc của vi khuẩn và ký sinh trùng gây bệnh. Cấu trúc thông thường của một virus tái tổ
hợp bao gồm: gen ngoại lai mã hoá protein kháng nguyên của các tác nhân gây bệnh, Virus ADN và gen chỉ thị.
Người ta tiến hành tái tổ hợp như sau:
+ Xen đoạn thứ cấp của bộ gen virus vào một plasmid vi khuẩn có mang gen kháng lại kháng sinh.
+ Tạo gổ hợp gồm ADN khảm có chứa các đoạn khởi động mạnh gắn với gen kháng nguyên và đuôi polyA, sau đó xen vào vùng cắt hạn chế của virus
+ Chuyển đồng thời cả virus và plasmid vào tế bào chủ nhân chuẩn, tại đó virus ADN và plasmid hợp nhất và tạo ra virus tái tổ hợp.
Bằng phương pháp tạo vaccine tái tổ hợp virus sống, người ta đã tạo vaccine đậu mùa tái tổ hợp cho nười và vật nuôi, tạo vaccine adenovirus tái tổ
1.2. Công nghệ di truyền và ứng dụng trong sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học tính sinh học
Nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học như insulin, interferon, hormon sinh trưởng người (HGH), somatostatin... rất cần thiết cho việc phòng chống và chữa bệnh cho người. Thông thường, các hợp chất có hoạt tính sinh học như trên
được tổng hợp với một lượng nhỏ trong tế bào của cơ thể người hoặc động vật bình thường. Một số người bị thiếu hụt các hợp chất trên gây ra bệnh lý và cần
điều trị bằng cách bổ sung vào cơ thể. Ngày nay, người ta đã sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học bằng công nghệ di truyền với số lượng lớn, tinh sạch và có tính an toàn cao.
* Sản xuất insulin
Insulin là loại hormone điều chỉnh lượng đường trong máu người và động vật. Thiếu hụt insulin sẽ gây bệnh tiểu đường rồi dẫn đến nhiều bệnh lý khác. Insulin là phân tử protein có hai chuỗi polypeptid A và B. Năm 1965, người ta tổng hợp nhân tạo hai chuỗi này rồi tạo ra insulin nhân tạo nhưng giá thành quá cao.
Năm 1978, lần đầu tiên insulin được tổng hợp nhờ vi khuẩn E. coli bằng công nghệ di truyền. Người ta tạo ra các plasmid tái tổ hợp gồm: plasmid gắn với gen mã hoá chuỗi polypeptid A và plasmid gắn với gen mã hoá chuỗi polypeptid B. Mỗi vector tái tổ hợp này được chuyển vào một dòng vi khuẩn E. coli và các chuỗi polypeptid A và B được tách ra khỏi các E. coli. Sau đó tạo
điều kiện thích hợp để gắn hai loại chuỗi này với nhau để tạo ra phân tử insulin có hoạt tính cao dùng trong chữa bệnh.
* Sản xuất interferon
Interferon là một protein kháng thể hình thành khi tế bào bị nhiễm virus, giúp tế bào chống sự xâm nhiễm của virus khác. Interferon sản sinh trong tế bào nào thì có khả năng giúp cơ thể của chính loài đó chống lại virus. Interferon có nhiều loại khác nhau, đó là interferon α, β và γ. Sản xuất công nghệ interferon theo nhiều bước, cơ bản như sau:
+ Tách mARN mã hoá cho interferon từ các tế bào bạch cầu người + Thực hiện kỹ thuật phiên mã ngược tạo cADN tương ứng
+ Dùng vector tách dòng phage λ gắn với cADN tạo plasmid tái tổ hợp + Chuyển vector tái tổ hợp vào E. coli, sàng lọc các thể tái tổ hợp để phát triển
+ Nuôi cấy dòng chọn lọc, thu sinh khối vi khuẩn E. coli để thu interferon, tách chiết, tinh sản và tạo sản phẩm interferon.
* Sản xuất hormon sinh trưởng người
Hormon sinh trưởng người (HGH) là một protein được sản xuất từ tuyến yên giúp cho sự phát triển mô xương và làm cho cơ thể phát triển bình thường.
Sản xuất HGH bằng công nghệ di truyền theo các bước:
- Tách chiết mARN của hormone sinh trưởng người (mARN - HGH) - Thực hiện phiên mã ngược mARN - HGH thành cADN tương ứng - Cắt nối, sửa đổi cADN và gắn vào plasmid tạo vector tái tổ hợp - Chuyển vector tái tổ hợp vào E. coli
- Dựa vào gen chỉ thị sàng lọc những thể mang gen được chuyển
- Nuôi cấy E. coli mang gen chuyển lấy sinh khối, tách chiết, tinh sạch tạo sản phẩm là hormone sinh trưởng người dùng đểđiều trị bệnh.
1.3. Công nghệ di truyền ứng dụng trong liệu pháp gen
* Liệu pháp gen
Là kỹ thuật đưa một gen lạ vào cơ thể để thay thế cho gen bệnh hoặc đưa gen cần thiết nào đó thay vào vị trí gen bị sai hỏng. Việc đưa gen mới vào cơ
thể thất bại hoặc thành công tuỳ thuộc vào vector tái tổ hợp và điều kiện kỹ
thuật hiện đại.
Vector tách dòng dùng trong liệu pháp gen là retrovirus gồm các virus có hệ gen là ARN và có enzyme phiên mã ngược. Nhóm vector tách dòng khác là adenovirus là virus có hệ gen là ADN, có khả năng xâm nhiễm vào nhiều loại tế
bào.
* Liệu pháp gen chẩn đoán và chữa các bệnh di truyền
- Một số bệnh di truyền như bệnh miễn dịch do khiếm khuyết của gen tổng hợp enzyme ADA. Trẻ thiếu hụt enzyme ADA phải nuôi cách ly trong lồng kính, tránh tất cả các tác nhân gây bệnh. Dùng liệu pháp gen chữa thiếu hụt ADA đã phục hồi được khả năng miễn dịch của bệnh nhân.
- Bệnh hồng cầu hình liềm do gen β-globin bị đột biến. Dùng liệu pháp gen thay thế tế bào tuỷ xương mang gen đột biến bằng tuỷ xương mang gen bình thường đã điều trị được bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm. Các bước cơ bản của liệu pháp gen chữa bệnh hồng cầu hình liềm là:
thường vào các tế bào tuỷ xương người bệnh này. Chọn lọc các tế bào tuỷ
xương mang tổ hợp gen β-globin bình thường.
+ Nuôi cấy các tế bào tuỷ xương tái tổ hợp mang gen β-globin bình thường
để tạo chủng quần tế bào.
+ Chiếu xạ tia X liều cao cho bệnh nhân để giết các tế bào tuỷ xương mang gen đột biến.
+ Cấy các tế bào tuỷ xương tái tổ hợp mang gen β-globin bình thường từ
chủng quần nuôi cấy được vào cơ thể người bệnh. Các tế bào này phát triển bình thường và bệnh thiếu máu dần được khắc phục.
- Chẩn đoán bằng công nghệ chip ADN: trên nguyên tắc bổ sung của các cặp nucleotid và lai ADN, các nhà công nghệ tin sinh học đã chế tạo ra các chip ADN. Sử dụng các chip ADN để xác định mức độ hoạt động của gen trong các tế bào, mô và cơ thể lành và cơ thể bệnh, phát hiện các gen sai lệch, gen virus (HIV, H5N1, H1N1...), gen vi khuẩn ký sinh giúp cho công tác phòng và chữa trị
kịp thời.