1. Mở đầu
Vào năm 1973, một nhóm các nhà khoa học đã tạo ra cơ thể sinh vật đầu tiên với các phân tử DNA tái tổ hợp. Theo đó, Cohen (ĐH Stanford, Mỹ) và Boyer (ĐH California, Mỹ) cùng các cộng sự đã đưa được một đoạn DNA từ một plasmid này vào một plasmid khác, tạo ra một plasmid hoàn toàn mới, plasmid tái tổ hợp. Sau đó, họ đưa plasmid tái tổ hợp vào trong các tế bào E. coli. Trong một thời gian ngắn, các tác giả này đã dùng các phương pháp giống nhau để gắn các gen từ hai loại vi khuẩn khác nhau, cũng như để chuyển các gen từ ếch vào vi khuẩn. Các thí nghiệm này đánh dấu một cuộc cách mạng vô cùng quan trọng trong lịch sử nghiên cứu khoa học của nhân loại. Công nghệ DNA tái tổ hợp là một tập hợp các kỹ thuật phân tử để định vị, phân lập, biến đổi và nghiên cứu các đoạn DNA. Thuật ngữ tái tổ hợp được dùng thường xuyên do mục tiêu của nó là phối hợp DNA từ hai nguồn xa nhau. Ví dụ: các gen từ hai nguồn vi khuẩn khác nhau có thể được liên kết lại, hoặc một gen người có thể được đưa vào nhiễm sắc thể vi khuẩn. Công nghệ DNA tái tổ hợp (còn gọi là công nghệ di truyền, công nghệ gen hay kỹ thuật gen…) hiện nay bao gồm một mạng lưới các kỹ thuật phân tử được dùng để phân tích, biến đổi và tái tổ hợp hầu như mọi trình tự DNA.
Công nghệ DNA tái tổ hợp đã biến đổi sâu sắc phương thức nghiên cứu gen. Trước đây, thông tin về cấu trúc và tổ chức của gen thu được bằng cách kiểm tra biểu hiện kiểu hình của chúng, nhưng những kỹ thuật mới đã tạo ra khả năng tự đọc các trình tự nucleotide. Trước đây, các nhà di truyền phải chờ đợi sự xuất hiện các đột biến ngẫu nhiên hoặc cảm ứng để phân tích hiệu quả của sự sai khác di truyền, ngày nay họ có thể tạo ra đột biến ở các điểm nhất định một cách chính xác và xem chúng thay đổi kiểu hình như thế nào. Công nghệ DNA tái tổ hợp đã cung cấp các thông tin mới về cấu trúc và chức năng của gen và đã thay đổi nhiều khái niệm cơ bản của di truyền học. Ví dụ: trong khi mã di truyền được xem là rất phổ biến, thì bây giờ chúng ta còn biết
rằng các mã không phổ biến cũng tồn tại trong DNA ty thể. Trước đây, chúng ta nghĩ rằng tổ chức của các gen eukaryote giống với prokaryote, nhưng bây giờ chúng ta biết rằng nhiều gen eukaryote bị gián đoạn bởi các intron. Ngày nay, chúng ta đã biết đầy đủ hơn về các quá trình tái bản, phiên mã, dịch mã, biến đổi RNA (RNA processing) và điều hòa gen thông qua việc sử dụng các kỹ thuật tái tổ hợp DNA. Các kỹ thuật này cũng được dùng trong nhiều trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm hóa sinh học, vi sinh vật học, sinh học phát triển, sinh học thần kinh, tiến hóa và sinh thái học.
Công nghệ DNA tái tổ hợp cũng được ứng dụng để tạo ra nhiều sản phẩm thương mại, chẳng hạn: thuốc, hormone, enzyme và các giống cây trồng-vật nuôi. Một nền công nghiệp hoàn toàn mới, công nghiệp công nghệ sinh học, đã phát triển chung quanh việc sử dụng các kỹ thuật này để tạo ra các sản phẩm mới. Trong y học, các kỹ thuật tái tổ hợp DNA được dùng để thăm dò bản chất của ung thư, chẩn đoán các bệnh di truyền và nhiễm trùng, sản xuất thuốc và điều trị các rối loạn di truyền. Kỹ thuật gen cho thấy một loạt cơ hội, mở ra các phương thức cần thiết (mà trước đây có thể không được) gần như là hiển nhiên. Vấn đề cơ bản đó là các gen có kích thước quá nhỏ và có hàng ngàn gen ở trong mỗi tế bào. Thậm chí, khi quan sát trên kính hiển vi mạnh nhất, thì DNA xuất hiện như là một sợi dây bé xíu, các nucleotide riêng rẽ không thể thấy, và không có một dấu hiệu nào về các đường nét vật lý ở chỗ bắt đầu và kết thúc của một gen.
Để minh họa vấn đề này, chúng ta hãy xem xét một ví dụ đặc trưng về di truyền phân tử như sau: Giả thiết rằng chúng ta muốn phân lập một gen đặc biệt của người và đặt nó vào trong vi khuẩn để sản xuất một lượng lớn các protein người đã được mã hóa. Vấn đề đầu tiên là tìm được gen mong muốn. Genome đơn bội của người chứa khoảng 3,3 tỷ cặp base của DNA.
Giả sử gen mà chúng ta muốn phân lập dài 3.000 bp. Như vậy, gen đích của chúng ta chỉ chiếm một phần triệu của genome; vì thế để tìm kiếm gen của chúng ta trong một genome đồ sộ như thế là khó khăn hơn rất nhiều so với việc tìm kiếm một cây kim trong một đống cỏ khô. Nhưng thậm chí, nếu chúng ta có thể định vị gen, thì
chúng ta sẽ tách nó ra khỏi genome như thế nào? Không có forcept đủ nhỏ để gắp một mảnh DNA đơn, và cũng không có một cái kéo cơ học nào đủ nhỏ để cắt ra khỏi genome một đoạn gen riêng biệt. Nếu chúng ta thành công trong việc định vị và phân lập gen mong muốn, thì bước tiếp theo chúng ta cần đưa nó vào trong tế bào vi khuẩn. Các đoạn DNA mạch thẳng sẽ bị thoái biến nhanh bởi vi khuẩn; vì thế gen phải được chèn vào trong một dạng ổn định. Nó cũng phải ổn định để tái bản thành công hoặc nó sẽ không được phân chia tiếp khi tế bào phân chia. Nếu chúng ta chuyển gen vào vi khuẩn thành công trong một dạng ổn định, chúng ta vẫn còn phải đảm bảo rằng gen được phiên mã và dịch mã. Sự biểu hiện của gen là một quá trình phức tạp đòi hỏi một số các trình tự DNA khác nằm ở bên ngoài gen. Tất cả những trình tự này phải hiện diện trong các hướng ở các vị trí thích hợp của chúng để sản xuất protein. Cuối cùng, các phương pháp được sử dụng để phân lập và chuyển gen có hiệu quả vô cùng thấp, trong hàng triệu tế bào được hướng tới cho các phương thức này, chỉ có một tế bào có thể chọn lọc thành công và biểu hiện gen của người. Vì thế, chúng ta phải tìm kiếm nhiều tế bào vi khuẩn để phát hiện được một tế bào mang DNA tái tổ hợp. Trước đây, các vấn đề này dường như là không vượt qua được. Nhưng ngày nay, các kỹ thuật phân tử được phát triển để khắc phục chúng, và các gen người được chuyển dễ dàng vào các tế bào vi khuẩn và ở đó chúng sẽ được biểu hiện tốt.