II. Tổ chức dạy học chuyên đề 1 Mục tiêu chuyên đề
4. Công nghệ sinh học động vật
Sự hiểu biết về cơ chế phân tử, tế bào và di truyền của sự phát triển động vật cũng như tác động của các hôcmôn, các yếu tố môi trường lên sự phát triển cho phép các nhà chăn nuôi đề ra nhiều biện pháp kĩ thuật để tăng năng suất vật nuôi như điều khiển giới tính, kĩ thuật thụ tinh nhân tạo, cấy chuyền phôi, tăng trọng nhanh, tăng lứa đẻ...; các nhà y học sử dụng các liệu pháp phòng chống ung thư, quái thai, sinh đẻ có kế hoạch, bảo vệ sức khỏe bà mẹ trẻ sơ sinh....Những năm gần đây ứng dụng các hiểu biết hiện đại về sinh học phát triển vào thực tiễn chăn nuôi cũng như y học đã cho ra đời các công nghệ sinh sản như : công nghệ thụ tinh trong ống nghiệm, công nghệ chuyển nhân, chuyển gen, công nghệ phôi, công nghệ nhân bản vô tính cũng như công nghệ tế bào gốc. Ta hãy xem xét một số công nghệ đó.
4.1. Công nghệ nhân bản vô tính động vật.
Bản chất của công nghệ nhân bản vô tính động vật:
Là sử dụng phương thức sinh sản vô tính để tạo ra các cơ thể. Bình thường các cơ thể được hình thành bằng con đường sinh sản hữu tính nghĩa là phải có sự kết hợp của tinh trùng (có n NST) với trứng (có n NST) để tạo ra hợp tử 2n NST. Hợp tử phát triển thành cơ thể gồm nhiều tế bào 2n NST. Cá thể con về di truyền là khác với bố mẹ. Trong nhân bản vô tính người ta sử dụng các tế bào xôma với 2n NST tạo điều kiện cho chúng phát triển thành cơ thể bằng con đường phân bào nguyên nhiễm (tức là sinh sản vô tính). Như vậy trong cá thể con được hình thành do nhân bản vô tính về di truyền hoàn toàn giống cá thể mẹ (cá thể cho tế bào xôma).
Đối với thực vật thì phương thức sinh sản vô tính là rất phổ biến (từ các phần thân rễ, lá chứa các tế bào xôma 2n NST dễ dàng tái sinh thành cây toàn vẹn). Công nghệ nhân bản vô tính thực vật dễ dàng nhân bản vô tính cây từ bất kì tế bào xôma nào đó của cây mẹ. Đối với động vật hiện tượng sinh sản vô tính chỉ quan sát thấy ở động vật bậc thấp như ở thủy tức, giun dẹp. Đối với động vật bậc cao chỉ quan sát thấy hiện tượng tái sinh ở mức độ mô hoặc cơ quan (ví dụ tái sinh mô sẹo, tái sinh đuôi...).
Sự nhân bản vô tính động vật (cũng như ở thực vật ) đều dựa trên nguyên tắc là trong tất cả tế bào xôma của cơ thể các gen không hề mất đi, không bị đột biến và chúng vẫn bảo tồn được tính toàn năng di truyền, nếu ta tạo được điều kiện để hệ gen của chúng giải biệt hóa và trở lại hoạt động như hệ gen của hợp
tử chúng sẽ phát triển thành cơ thể toàn vẹn. Điều kiện để chúng giải biệt hóa đó chính là tế bào chất của trứng. Đây chính là cơ sở tế bào của sự biểu hiện phân hóa của gen: mối tương tác giữa nhân và tế bào chất mà ta đã xét kĩ ở phần trên. Trong tế bào xôma dưới tác động của tế bào chất một số gen được biểu hiện các gen khác bị đóng. Trong trứng có đủ các nhân tố tạo điều kiện cho nhân của tế bào xôma hoạt động như hợp tử.
Nhân bản vô tính có mục đích gì?
- Kể từ năm 1996 khi con cừu Dolly ra đời (được công bố năm 1997) và sinh con như những cừu cái bình thường (hình 10.A) thì công nghệ nhân bản vô tính động vật có vú trở thành công nghệ mũi nhọn và gây nhiều tranh cãi. Đối với các nhà sinh học phát triển thì nhân bản vô tính là phương pháp để làm sáng tỏ nhiều vấn đề lí thuyết như : Có sự tương đồng trong hệ gen của hợp tử với hệ gen của các tế bào xôma hay không? Qua quá trình phát triển tính toàn năng di truyền không mất đi tại sao chúng lại giảm dần từ toàn năng đến đa năng, đến ít năng rồi đơn năng và có thể là mất hoàn toàn? Qua quá trình phát triển các gen được biểu hiện ra sao? và các tác nhân nào đã điều chỉnh sự biểu hiện phân hóa của gen? Bản chất và cơ chế của mối tương tác nhân- tế bào chất, mối tương tác gian bào là gì?
- Đối với thực tiễn chăn nuôi và y học nhân bản vô tính có ý nghĩa to lớn. Đối với chăn nuôi nhân bản cho phép tạo nên đàn vật nuôi có năng suất cao sản phẩm tốt đồng đều thuận lợi cho việc chăm sóc thu hoạch.
Đối với việc bảo tồn phổ biến nguồn gen của động vật quí hiếm khi chỉ còn một cá thể hoặc đối với loài khó sinh sản hữu tính như gấu trúc thì nhân bản vô tính cho phép tạo nên nhiều cá thể làm giống.
Phối hợp với kĩ thuật chuyển gen để tạo các vật nuôi cho năng suất cao, chống chịu bệnh tật, tạo nhanh chóng các cá cảnh, chim cảnh v.v...
Đối với dược học nhân bản vô tính có mục đích sản xuất các chất dược phẩm quí : các prôtêin, các vacxin, các hoocmôn, các kháng thể, các chất sinh trưởng, chất chống chảy máu v.v..ở dạng sản phẩm tinh hoặc có trong sữa, thịt, trứng...
Đối với trị liệu cấy ghép mô, cơ quan nhân bản vô tính nhằm cung cấp nguồn mô, cơ quan mang tính đồng ghép.
Tuy nhiên cho đến hiện nay người ta đã thành công nhân bản vô tính được nhiều loài động vật có vú như cừu, dê, chuột, mèo, bò, gấu trúc...nhưng với tỷ lệ thành công chưa cao, đó là do vấn đề kĩ thuật. Chắc chắn rằng với sự tiến bộ của kĩ thuật thì công nghệ nhân bản vô tính sẽ đạt nhiều thành công và mở ra nhiều triển vọng to lớn.
4.2. Công nghệ tế bào gốc.
Thế nào là tế bào gốc. Tế bào gốc (stem cells) là những tế bào có ở phôi hoặc cơ thể trưởng thành có khả năng sinh sản tự đổi mới và biệt hóa cho ra các tế bào biệt hóa (xem hình 8).
Hình 8. Sơ đồ biệt hóa của tế bào gốc
Hợp tử có khả năng phân bào và biệt hóa cho ra tất cả các loại tế bào của cơ thể. Người ta nói hợp tử có tính toàn năng (totipotent). Qua quá trình phát triển vì nhiều lí do tính toàn năng của tế bào thay đổi dần. Ở giai đoạn phôi nang sớm (giai đoạn khoảng 8-16 tế bào) các tế bào còn giữ được tính toàn năng bởi vì nếu ta tách riêng chúng thì mỗi một tế bào phôi nang vẫn còn khả năng phân bào và biệt hóa cho ra cơ thể toàn vẹn. Đến giai đoạn phôi vị tế bào phôi mất
dần tính toàn năng và trở thành đa tiềm năng (pluripotent) bởi vì các tế bào ở giai đoạn này khi bị tách rời tuy có khả năng phân bào và biệt hóa cho ra các mô khác nhau nhưng không thành cơ thể toàn vẹn được. Đến giai đoạn thai nhi và cơ thể trưởng thành thì các tế bào gốc trở nên vài tiềm năng (multipotent) nghĩa là có khả năng sinh sản và biệt hóa cho ra vài loại tế bào (ví dụ tế bào gốc máu trong tủy xương có thể biệt hóa ra hồng cầu, bạch cầu có hạt, tế bào limphô, tiểu cầu..), hoặc chỉ còn đơn tiềm năng (monopotent) nghĩa là chỉ có khả năng biệt hóa cho ra một loại tế bào mà thôi (ví dụ tế bào gốc ruột hoặc tế bào gốc lớp nền biểu bì da chỉ cho ra tế bào ruột hoặc tế bào da mà thôi. Nhiều loại tế bào khác như nơron chẳng hạn đã mất hẳn tính sinh sản và biệt hóa trở thành vô tiềm năng (nulpotent).
Như ở phần trên ta đã biết các tế bào 2n NST của cơ thể trưởng thành dù là tế bào gốc hay tế bào dã biệt hóa đều tương đồng về hệ gen nghĩa là có đủ tất cả gen như ở hợp tử. Ở các loại tế bào khác nhau mức độ biểu hiện của hệ gen là không giống nhau và tùy thuộc vào nhiều nhân tố như ta đã xem xét ở phần trên. Các nhân tố đóng mở gen trong các tế bào qua thời gian và không gian của quá trình phát triển qui định nên tính tiềm năng di truyền của tế bào gốc hoặc tế bào đã biệt hóa.
Người ta thường phân biệt các tế bào gốc dòng xôma (somatic stem cells) là các tế bào gốc sẽ biệt hóa cho ra các loại tế bào xôma của cơ thể (tế bào 2n NST tạo nên các mô cơ quan sinh dưỡng), và loại tế bào gốc dòng sinh dục
(germ stem cells) là những tế bào gốc có 2n NST nhưng có khả năng biệt hóa thành các giao tử (đực hoặc cái) có n NST.
Các hiện tượng sinh sản vô tính ở các động vật bậc thấp (thủy tức, giun dẹp...) hoặc tái sinh mô và cơ quan cũng như hiện tượng thay thế tế bào chết (thay thế tế bào máu, ruột, da...) đều có vai trò của các loại tế bào gốc.
Công nghệ tế bào gốc và lợi ích.
Lợi dụng đặc tính của tế bào gốc là chúng dễ dàng được nuôi cấy invitro, sinh sản cho ra dòng tế bào gốc đó và có khả năng biệt hóa thành tế bào biệt hóa, cũng như đặc tính cấy chuyển tế bào gốc của cơ thể này cho cơ thể khác cùng loài hoặc khác loài mà chúng vẫn giữ được đặc tính sinh sản và biệt hóa trong cơ thể nhận các nhà công nghệ tế bào đã kết hợp công nghệ chuyển gen, cấy nhân,
nhân bản vô tính với công nghệ tế bào gốc nhằm phụ vụ chăn nuôi cũng như y học.
- Tạo ra các dòng động vật khảm với nhiều mục đích khác nhau.
Động vật khảm (thể khảm-chimera) xuất xứ từ thần thoại Hy lạp là con quái vật có cơ thể khảm: đuôi rắn, mình dê, đầu sư tử. Ngày nay phôi sinh học thực nghiệm với công nghệ tế bào gốc ( cấy các tế bào gốc từ cơ thể cho vào phôi cơ thể nhận) đã tạo ra được các động vật có cấu tạo khảm với cơ thể gồm các mô hoặc cơ quan của 2 hoặc nhiều cơ thể khác nhau. Năm 1972 các nhà phôi sinh học đã tạo được dòng chuột khảm lông trắng với nhiều vằn đen bằng cách vi tiêm các tế bào gốc của chuột đen vào phôi của chuột trắng. Thể khảm được dùng như mô hình nghiên cứu về biểu hiện của gen, về mối tương tác tế bào... Đối với vật nuôi phương pháp thể khảm được áp dụng để tạo ra vật nuôi mang nhiều đặc điểm tổ hợp về năng suất, chống bệnh.. Đối với động vật cảnh có thể tạo ra nhiều vật (cá, chim..) có nhiều màu sắc sặc sỡ, lạ bằng phương pháp thể khảm. Hiện nay nhiều loại cá vàng khảm đã có mặt trên thị trường.
Kết hợp kĩ thuật chuyển gen với kĩ thuật chuyển tế bào gốc người ta đã tạo ra hàng loạt động vật chuyển gen (kể cả vật nuôi, vật cảnh) mang nhiều tính trạng có lợi mà nhà chăn nuôi mong muốn.
- Sử dụng tế bào gốc như là nguồn nguyên liệu khởi đầu cho sự biệt hóa ra các dòng tế bào biệt hóa khác nhau nhằm tạo ra các mô cơ quan để thay thế mô cơ quan bị hỏng, bị bệnh. Ví dụ thành tựu được xem là vang dội nhất là việc cất giữ nuôi cấy các tế bào gốc tạo máu không chỉ để thay thế tủy xương cho các bệnh nhân hư hỏng tủy xương vì sai lệch di truyền, vì ung thư, vì nhiễm virut, nhiễm khuẩn, bị phóng xạ... mà còn có thể sử dụng tế bào gốc tủy xương để biệt hóa ra các loại mô khác như thần kinh, mô cơ, mô gan...để thay thế cấy ghép khi các mô này trong cơ thể bị hư hỏng. Cùng với liệu pháp gen, liệu pháp tế bào gốc trong điều trị bệnh đang mở ra nhiều hứa hẹn cho y học điều trị.
- Các nhà dược học có thể sử dụng công nghệ tế bào gốc để thử nghiệm độc tính và dược tính của các chất thuốc đối với hoạt động chức năng của các mô cơ quan cũng như tác động gây đột biến gen, gây quái thai và gây ung thư. Đồng thời có thể sử dụng công nghệ tế bào gốc với công nghệ chuyển gen để sản xuất và thử nghiệm các chất thuốc mới.