Công nghệ gen là gì?
Công nghệ gen (còn được gọi là kỹ thuật di truyền hoặc di truyền sửa đổi) là một tập hợp các kỹ thuật cơ bản để thực hiện thay đổi cấu trúc và chức năng của gen – đơn vị di truyền cơ bản trong các tế bào của tất cả các cuộc sống sinh vật.
>>> Xem thêm: Gen là gì?
Với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay, có một lượng lớn sự chồng chéo giữa 2 khái niệm là “công nghệ gen” (gene technology) và “sinh học tổng hợp” (synthetic biology).
Công nghệ sinh học truyền thống đã được phát triển và ứng dụng trong nhiều thế kỷ. Chúng ta đã sử dụng các kỹ thuật lai tạo đơn thuần để tạo ra các giống cây trồng mới, giống vật nuôi mới. Chúng ta cũng đã cải biến nấm men Saccharomyces cerevisiae để làm bia và bánh mì.
Công nghệ gen là một nhánh của công nghệ sinh học cho phép trực tiếp sửa đổi hoặc loại bỏ một gen, hoặc sự chuyển gen từ một loài cho loài khác.
Khi thực vật, động vật và các sinh vật khác được thay đổi bằng cách sử dụng công nghệ gen, những sinh vật mới được xếp vào nhóm sinh vật biến đổi gen (GMO).
Nếu quá trình sửa đổi gen bao gồm việc cho-nhận một hay nhiều gen từ sinh vật này tới sinh vật khác, quá trình này được gọi là chuyển gen.
Ví dụ: cây bông chuyển gen thường chứa một gen từ vi khuẩn có khả năng tạo ra một loại thuốc trừ sâu, làm giảm lượng phun thuốc côn trùng gây hại.
Ứng dụng của công nghệ gen
Các gen được tìm thấy trong tất cả các sinh vật sống và được truyền từ thế hệ này sang thế hệ tiếp theo. Chúng là những chỉ dẫn được mã hóa mà một sinh vật sử dụng để tạo ra protein và chính những protein này tạo nên cấu trúc và thực hiện các chức năng của các sinh vật sống.
Xác định gen và chức năng của chúng là một ứng dụng quan trọng của công nghệ gen.
Sau đây chúng ta sẽ cùng tìm hiểu 4 hướng ứng dụng phổ biến của công nghệ gen hiện nay.
Chuyển gen từ một loài liên quan: gen kháng bệnh
Công nghệ gen được sử dụng để chuyển một gen có lợi từ một loài có liên quan sang cây trồng theo cách trực tiếp và hiệu quả.
Ví dụ, bệnh gỉ sắt (gây ra do nấm Hemileia vastatrix) là vấn đề nghiêm trọng đối với người trồng lúa mì ở Úc. Quá trình nhân giống thông thường kiểm soát các bệnh này bằng cách chuyển gen kháng từ các loài khác sang lúa mì, nhưng quá trình này không chính xác và cồng kềnh.
Một nguồn gen kháng là lúa mạch đen. Cho đến nay, việc chuyển gen kháng liên quan đến sự lai chéo giữa lúa mì và lúa mạch đen, sau đó là một vài thế hệ lai giữa lúa mì với lúa mì để loại bỏ càng nhiều vật liệu di truyền lúa mạch đen càng tốt trong khi vẫn giữ được các gen kháng thuốc.
Trong thực tế, nhiều gen lúa mạch đen đã được lưu trữ lại trong giống lúa mì mới, một số có đặc điểm không mong muốn. Ví dụ, gen tạo ra bột dính nằm gần các gen kháng bệnh trên đoạn nhiễm sắc thể lúa mạch đen.
Chuyển gen từ một loài không liên quan: gen kháng côn trùng
Công nghệ gen cũng được sử dụng để chuyển một gen từ một loài không liên quan (côn trùng sang thực vật) hoặc sử dụng một gen để xây dựng ngân hàng gen lai tạo.
Bông biến đổi gen (Bt Cotton) là một ví dụ điển hình.
Côn trùng gây hại là vấn đề chính mà người trồng bông phải đối mặt và một lượng lớn thuốc trừ sâu được phun trong suốt giai đoạn sinh trưởng để kiểm soát sâu bệnh.
Các loại thuốc trừ sâu là một giải pháp không an toàn, thiếu tính đặc hiệu và tiêu diệt cả sâu bệnh và côn trùng có lợi. Thuốc trừ sâu có một loạt các tác động môi trường bất lợi khác thu hút sự phản đối của cộng đồng, tranh chấp về endosulfan với những người chăn nuôi gia súc lân cận là một ví dụ điển hình.
Nông nghiệp hữu cơ sử dụng một loại thuốc trừ sâu tự nhiên, được gọi là Dipel, để chống lại sâu bướm. Dipel chứa một loại protein được sản xuất trong bào tử của vi khuẩn, Bacillus thuringiensis (Bt), độc hại đối với sâu bướm nhưng không có gì khác. Các nhà khoa học đã phân lập gen vi khuẩn mã hóa protein độc hại, sửa đổi nó trong phòng thí nghiệm để hoạt động hiệu quả trong tế bào thực vật và sau đó chuyển gen Bt sang cây bông.
Gen Bt đầu tiên trong cây bông của Úc thuộc sở hữu của Monsanto và được bán trên thị trường với tên Ingard®. Mặc dù Ingard không cung cấp kiểm soát côn trùng hoàn toàn, nhưng nó đã giảm một nửa số ứng dụng diệt côn trùng.
Trong ví dụ này, công nghệ gen dẫn đến việc sản xuất một loại protein bên trong các tế bào của lá bông mà vốn trong tự nhiên cây bông đã không thể tạo ra gen mã hóa protein đó.
Tắt gen và protein: sửa đổi các đặc tính chất lượng
Ở một khía cạnh ứng dụng ngược lại, công nghệ gen được sử dụng để tắt chức năng của gen thực vật, dẫn đến không biểu hiện ra protein mới, thay vào đó là sự vắng mặt của một loại thông thường.
Một gen nhân tạo được tạo ra trong phòng thí nghiệm bằng cách đảo ngược một phần mã của gen mà chúng ta muốn tắt. Loại gen mới này không tạo ra sản phẩm nào mà chỉ kích hoạt một cơ chế gọi là làm im lặng gen (gene silencing), ngăn không cho cây tạo ra protein cụ thể.
Cho đến nay, cách thức nhân giống cây trồng thông thường đã khai thác các đột biến hiếm để loại bỏ các gen không mong muốn. Chúng ta sẽ không có cải dầu nếu không có kỹ thuật này. Việc nhân giống cải dầu dựa vào việc xác định một đột biến xảy ra tự nhiên ngăn cản sự tổng hợp các loại dầu không mong muốn trong hạt của cây cải dầu.
Việc sử dụng các đột biến hóa học (chemical mutagens) có thể tăng tốc quá trình, nhưng quá trình này vẫn chưa chính xác và các đột biến nguy hiểm khác có thể xảy ra cùng một lúc.
‘Chủng ngừa’: kiểm soát các bệnh do virus
Ví dụ cuối cùng minh họa cách công nghệ gen có thể cung cấp hiệu ứng ‘miễn dịch’ để kiểm soát các bệnh do virus của cây trồng.
Virus cuộn lá khoai tây (Potato leaf roll virus) là một vấn đề nghiêm trọng, làm hạn chế năng suất và làm hỏng sản phẩm. Bởi vì virus lây lan bởi rệp, nó được kiểm soát bằng thuốc xịt côn trùng. Những người nông dân luôn gặp khó khăn để biết khi nào và dụng lượng thuốc xịt bao nhiêu để phun.
Các nhà khoa học tại CSIRO đã tổng hợp một gen chứa một phần nhỏ virus và đã chỉ ra rằng gen này có hiệu quả trong việc ngăn ngừa bệnh virus. Công nghệ này hoạt động tốt đến mức cây khoai tây biến đổi gen (transgenic potato plants) được cho là miễn dịch vì chúng không có triệu chứng bệnh và đồng thời ngăn chặn sự nhân lên của virus, ngăn chặn sự lây lan của bệnh.
Giống như trong ví dụ trước, công nghệ được sử dụng để tắt chức năng. Gen tổng hợp tạo ra một chuỗi nhỏ RNA nhưng không tạo ra bất kỳ protein virut nào.
Như vậy qua bài viết này, chúng tôi mong rằng quý vị và các bạn sẽ có cái nhìn tổng quan về công nghệ gen, có đủ thông tin cho câu hỏi: công nghệ gen là gì? và biết thêm về những hướng ứng dụng của công nghệ gen trong đời sống hiện đại.
Mặc dù với sự phát triển hàng ngày của công nghệ, đặc biệt là công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (NGS) thì công nghệ gen cũng sẽ có những bước tiến mạnh mẽ trong các kỹ thuật ứng dụng ở nhiều những lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống.
Chúng ta hãy cùng theo dõi về chủ đề rất thú vị này nhé.
Hương Giang (tổng hợp)
www.hvbiotek.com
