Sinh 12 Bài 20: Tạo Giống Nhờ Công Nghệ Gen Lý Thuyết & Bài Tập

1. Công nghệ gen là gì?

Để mở đầu cho bài 20 tạo giống nhờ công nghệ gen thì chúng ta cùng tìm hiểu về khái niệm của công nghệ gen.

- Công nghệ gen là quy trình tạo những tế bào hoặc sinh vật có gen bị biến đổi hoặc thêm gen mới, sau đó tạo được các cơ thể mới với những đặc điểm mới.

- Trọng tâm của công nghệ gen là kỹ thuật tạo ADN tái tổ hợp hay còn gọi là kỹ thuật chuyển gen.

- Kỹ thuật chuyển gen hay gọi là kỹ thuật tạo ADN tái tổ hợp là quá trình dùng các cách khác nhau để chuyển một đoạn ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận.

- Quy trình tạo giống nhờ công nghệ gen gồm 3 bước như sau:

• Bước 1: Cần tạo được ADN tái tổ hợp.

• Bước 2: Chuyển ADN tái tổ hợp vừa tạo được vào tế bào nhận.

• Bước 3: Cuối cùng phân lập dòng tế bào có ADN tái tổ hợp.

2. Các bước cần tiến hành trong kĩ thuật chuyển gen

Trước khi tiến hành các bước trong quy trình tạo giống nhờ công nghệ gen cần chuẩn bị tốt những thành phần tham gia quy trình này. Thành phần tham gia bao gồm:

- Tế bào cho: những tế bào có chứa gen cần chuyển thường là vi khuẩn, thực vật, động vật.

- Tế bào nhận: vi khuẩn, tế bào thực vật như tế bào chồi hay mầm, cũng có thể là tế bào động vật như tế bào trứng, phôi.

- Enzym: gồm enzym cắt giới hạn và enzym nối.

• Enzyme cắt giới hạn (restrictaza) làm nhiệm vụ cắt hai mạch đơn của phân tử ADN ở những vị trí nucleotit xác định.

• Enzym nối ligaza sẽ tạo liên kết phosphodieste giúp nối mạch ADN, tạo ADN tái tổ hợp.

- Thể truyền hay còn gọi là véc tơ chuyển gen.

- ADN tái tổ hợp.

2.1. Tạo ADN tái tổ hợp

- ADN tái tổ hợp là 1 phân tử ADN nhỏ được lắp ráp từ các đoạn ADN được lấy từ các tế bào khác nhau gồm thể truyền và gen cần chuyển.

- Thể truyền hay còn gọi là véc tơ chuyển gen: Là phân tử ADN có khả năng tự nhân đôi, hơn nữa còn có thể tồn tại độc lập trong tế bào và giúp mang gen từ tế bào này sang tế bào khác.

- Các loại thể truyền thường thấy như plasmit, virut, NST nhân tạo, thể thực khuẩn.

- Khi đã chuẩn bị đủ những thành phần tham gia thì sẽ tiến hành các bước tạo ADN tái tổ hợp:

• Tách ADN ra khỏi tế bào cho đồng thời tách plasmit ra khỏi tế bào vi khuẩn.

• Cắt đoạn ADN của tế bào cho đồng thời mở vòng của plasmit bằng enzym cắt restrictaza (enzim này giúp nhận ra vị trí cắt chính xác ở những nuclêôtit xác định).

• Dùng enzym ligaza để nối đoạn vừa cắt vào plasmit tạo thành ADN tái tổ hợp.

Lưu ý:

• Gen cần chuyển là gen mà người nghiên cứu muốn chuyển từ sinh vật này sang sinh vật khác.

• Plasmit là phân tử ADN có dạng vòng, chúng có trong tế bào chất của vi khuẩn và có khả năng đặc biệt đó là nhân đôi độc lập với ADN của vi khuẩn.

• Thể truyền là vật thể truyền gen từ sinh vật này sang sinh vật khác, có thể là plasmit, phagơ hoặc NST nhân tạo... Thể truyền có đặc điểm cũng rất đặc biệt đó là có khả năng nhân đôi độc lập hoặc có thể gắn vào hệ gen của tế bào nhận.

• Enzym cắt (restrictaza) cắt các phân tử ADN theo kiểu tạo thành các đầu dính.

2.2. Đưa ADN tái tổ hợp vào tế bào nhận

• Trong trường hợp muốn dùng gen cần chuyển để tạo ra lượng lớn sản phẩm thì người ta thường dùng đối tượng là E.Coli làm tế bào nhận vì chúng có các ưu điểm là dễ nuôi cấy, sinh sản nhanh và dễ dàng phân lập.

• Sử dụng phương pháp biến nạp: dùng biện pháp vật lý hóa học như muối CaCl2 hoặc xung điện cao áp (khoảng 5000V) giúp làm giãn màng sinh chất của tế bào nhận.

• Sử dụng phương pháp tải nạp: Dùng phagơ vì chúng mang gen cần chuyển mà gen này sẽ chủ động xâm nhập vào tế bào chủ (vi khuẩn).

• Ngoài ra còn có thể dùng một số phương pháp như sử dụng súng bắn gen, vi kim tiêm...

• Phân tử ADN tái tổ hợp chui qua màng vào tế bào nhận một cách dễ dàng.

2.3. Phân lập dòng tế bào chứa ADN tái tổ hợp

Cuối cùng là bước sàng lọc các tế bào có ADN tái tổ hợp với mục đích nhân lên thành dòng. Vi khuẩn sinh sản nhanh nên có khả năng sản sinh ra một lượng lớn sản phẩm của đoạn gen đó. Ta nhận biết được các tế bào có ADN tái tổ hợp bằng cách chọn thể truyền mang gen đánh dấu (gen phát sáng, gen kháng sinh...).

3. Ứng dụng công nghệ gen trong tạo giống biến đổi gen

Tạo giống nhờ công nghệ gen được ứng dụng để tạo nên sinh vật biến đổi gen mang lại lợi ích cho mình.

3.1. Khái niệm sinh vật biến đổi gen

- Khái niệm: Là sinh vật mà hệ gen của chúng được con người làm biến đổi nhằm mục đích tạo sinh vật phù hợp với lợi ích của mình.

- Các cách làm biến đổi hệ gen của sinh vật:

+ Thêm gen lạ đưa vào hệ gen của sinh vật.

+ Biến đổi 1 gen đã sẵn có trong hệ gen của sinh vật.

+ Loại bỏ hoặc có thể làm bất hoạt một gen nào đó trong hệ gen của sinh vật.

3.2. Những thành tựu của tạo giống biến đổi gen

3.2.1. Tạo động vật chuyển gen

- Mục tiêu:

• Tạo giống mới có năng suất và chất lượng cao hơn giống ban đầu.

• Sinh vật biến đổi gen có thể được tạo ra sẽ sử dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm (như sản xuất thuốc cho con người).

- Phương pháp tạo động vật chuyển gen:

• Tách trứng ra khỏi cơ thể sinh vật rồi sử dụng phương pháp thụ tinh trong ống nghiệm (cũng có thể lấy trứng đã thụ tinh).

• Đưa gen cần chuyển vào hợp tử bằng cách tiêm.

• Cấy hợp tử đã được chuyển gen vào tử cung của động vật khiến nó mang thai và sinh đẻ hoàn toàn bình thường.

• Với trường hợp gen được chuyển gắn thành công vào hệ gen của hợp tử và phôi có khả năng phát triển bình thường để cho ra đời 1 sinh vật biến đổi gen (chuyển gen)

- Một số thành tựu tạo động vật chuyển gen:

• Gen protein của người được chuyển vào cừu.

• Gen hoocmôn sinh trưởng được chuyển từ chuột cống sang chuột bạch khiến khối lượng tăng gấp đôi.

3.2.2. Tạo giống cây trồng biến đổi gen

- Mục tiêu:

• Tạo ra giống cây trồng có khả năng kháng sâu hại.

• Chuyển gen tạo giống cây có đặc tính quý hiếm.

• Biến đổi gen để tạo giống cây cho ra sản phẩm được bảo quản tốt hơn.

-  Phương pháp:

• Tạo ra ADN tái tổ hợp nên cần phải tách thể truyền và gen cần chuyển ra khỏi tế bào.

• Cắt plasmit và ADN chứa gen cần chuyển nhờ sự tham gia của enzym cắt restrictaza.

• Dùng enzym ligaza để nối đoạn vừa cắt vào plasmit. 

• Tái sinh cây từ những tế bào được nuôi cấy hoặc những cây có đặc tính mới có lợi.

- Một số thành tựu tạo giống cây trồng biến đổi gen:

• Chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ từ loài thuốc lá cảnh sang cây bông và đậu tương.

• Gen chống vi rút được chuyển vào khoai tây.

3.2.3. Tạo dòng vi sinh vật biến đổi gen

-  Thành tựu điển hình là tạo chủng vi khuẩn E.coli sản xuất insulin của người:

• Insulin là hoocmon của tuyến tụy, có chức năng điều hòa glucose trong máu. Khi insulin cơ thể sản xuất không đủ hoặc không có  chức năng có thể gây bệnh tiểu đường do glucose bị thải ra qua nước tiểu.

• Tách gen tổng hợp insulin từ cơ thể người và chuyển vào vi khuẩn E.coli bằng plasmid. Sau đó, nuôi cấy vi khuẩn để sản xuất insulin trên quy mô công nghiệp đáp ứng nhu cầu chữa bệnh con người do E.coli sinh sản rất nhanh.

-  Tạo chủng vi khuẩn E.coli giúp sản xuất somatostatin:

• Somatostatin là loại hoocmon được tổng hợp đặc biệt đó là từ não động vật, chúng giữ chức năng điều hòa hoocmon sinh trưởng và insulin đi vào máu.

• Công nghệ gen ngày càng phát triển, vậy nên hiện nay đã tạo được chủng E.coli sản xuất somatostatin.

-  Thành tựu tạo giống vi sinh vật biến đổi gen:

• Tạo nên những vi khuẩn kháng thể miễn dịch cúm.

• Tạo gen mã hóa insulin sẽ có thể giúp trị bệnh đái tháo đường.

• Tạo được chủng vi khuẩn sản xuất ra các sản phẩm có lợi trong nông nghiệp.

4. Một số bài tập trắc nghiệm tạo giống mới nhờ công nghệ gen

Câu 1: Trong công nghệ ADN tái tổ hợp, đặc điểm nào sau đây không cần thiết đối với một vector chuyển gen?

A. Có vị trí khởi đầu cho quá trình tái bản.

B. Kích thước lớn để mang gen.

C. Có vị trí cắt đặc hiệu của enzyme cắt giới hạn.

D. Có gen giúp cho việc nhận biết việc chuyển gen thành công.

Đáp án: B

Phân tử ADN có khả năng gắn kết với các phân tử ADN có nguồn gốc khác được gọi là vector chuyển gen.

Điều kiện cần và đủ cho một vector chuyển gen là:

- Có vị trí khởi đầu cho quá trình tái bản.

- Có vị trí đặc hiệu cho enzyme cắt giới hạn nhận biết.

- Có gen giúp cho việc nhận biết sau khi đã chuyển gen.

→ Như vậy kích thước không phải là yếu tố quan trọng cho một vector chuyển gen.

Câu 2: Trong quá trình chuyển gen, thể truyền được chọn thường có gen đánh dấu với mục đích để làm gì?

A. Giúp chúng ta biết được các tế bào nào đã có được ADN tái tổ hợp.

B. Là để enzim cắt giới hạn (restrictase) nhận ra vị trí cắt trên vector tái tổ hợp. 

C. Giúp việc chuyển vector tái tổ hợp vào tế bào nhận một cách dễ dàng hơn.

D. Giúp enzyme ligase  hoạt động tốt hơn.

Đáp án: A

Trong quá trình chuyển gen, các nhà khoa học thường chọn vector có chứa gen đánh dấu để nhận ra các tế bào đã có ADN tái tổ hợp.

Các gen như vậy thường là gen kháng kháng sinh. Khi tế bào nhận ADN tái tổ hợp này, chúng sẽ có khả năng kháng lại kháng sinh tương ứng.

Khi đã đưa ADN tái tổ hợp vào trong tế bào nhận, chúng ta sẽ nuôi cấy tế bào trong môi trường có chứa kháng sinh phù hợp, những tế bào nào chứa ADN tái tổ hợp sẽ có khả năng sống sót và sinh trưởng được, còn những tế bào nào không nhận được ADN tái tổ hợp sẽ mẫn cảm với kháng sinh và bị tiêu diệt → giúp chọn lọc được dòng tế bào chuyển gen thành công.

Câu 3: Thứ tự các bước để tạo một plasmit ADN tái tổ hợp là:

A. Tinh sạch ADN chứa gen quan tâm - gắn kết đoạn ADN đó vào plasmit.

B. Tinh sạch ADN chứa gen quan tâm - cắt ADN đó và plasmit bằng cùng một enzyme giới hạn - dùng enzyme ligase gắn đoạn ADN mang gen vào plasmit.

C. Tinh sạch ADN chứa gen quan tâm - đưa đoạn ADN đó vào tế bào vi khuẩn - dùng enzyme gắn đoạn ADN này với ADN của chính vi khuẩn.

D. Tinh sạch ADN chứa gen quan tâm - hòa trộn các đoạn ADN đã phân lập với tế bào chủ đã xử lí bằng CaCl2 - gắn đoạn ADN chứa gen vào plasmit của vi khuẩn.

Đáp án: B

Quá trình để tạo ra một ADN tái tổ hợp là:

- Tinh sạch ADN chứa gen mà mình quan tâm.

- Cắt đoạn ADN này và plasmit bởi cùng một enzyme giới hạn.

- Dùng enzyme ligase gắn đoạn ADN chứa gen vào plasmit, đóng vòng ADN plasmit.

Câu 4: Cho các sản phẩm của kĩ thuật chuyển gen sau:

(1) Bất hoạt gen làm chín quả của một giống cà chua.

(2) Sữa dê có chứa protein của người. 

(3) Giống lúa có thể sinh tổng hợp β-caroten. 

(4) Dưa hấu đa bội.

(5) Giống lúa lai HYT 100 cho năng suất và chất lượng cao, thời gian sinh trưởng tương đối ngắn.

(6) Nho quả to, không có hạt, hàm lượng đường trong quả cao.

(7) Chủng vi khuẩn E.coli có khả năng sinh tổng hợp hormon insulin.

(8) Nhân giống nhanh các loại trồng quý hiếm, tạo ra nhóm cây trồng đồng nhất về kiểu gen.

(9) Giống bông có thể kháng lại sâu hại.

Số sản phẩm được tạo ra nhờ chuyển gen là:

A. 3

B. 4

C. 6

D. 5

Đáp án D

Các sản phẩm được tạo bằng phương chuyển gen là: (1) (2) (3) (7) (9)

Còn  (4) (6) (8) là thành tựu từ công nghệ tế bào

(5) là nhờ kỹ thuật lai giống.

Câu 5: Ở mức quy mô công nghiệp, việc sản xuất insulin cần phải chuyển gen mã hóa cho insulin của người vào vi khuẩn E. coli bắt đầu tự việc phiên mã ngược phân tử mARN của đoạn gen đó thành cADN sau đó ADN tái tổ hợp mới được tạo thành rồi đưa vào E. coli. Những giải thích sau về việc làm trên là:

1. ADN của người ở trong nhân nên không thể nào hoạt động bình thường trong tế bào của vi khuẩn.

2. Tế bào vi khuẩn không có bộ máy phiên mã thích hợp cho gen của người.

3. Cơ chế di truyền ở cấp độ phân tử của E. coli không thích hợp với ADN tái tổ hợp mang gen của người nên sẽ không tạo ra được sản phẩm mong muốn.

4. Cơ chế di truyền ở cấp độ phân tử của E. coli không thích hợp với hệ gen ở người nên sẽ không tạo ra được sản phẩm như mong muốn. 

Giải thích hợp lý là:

A. 3

B. 2

C. 4

D. 1

Đáp án: D

Hệ gen của E.coli có cấu trúc không phân mảnh (không chứa intron), còn các gen ở người hầu như đều có cấu trúc phân mảnh nên cần phải có một cơ chế cắt - nối để hoàn thiện mARN. Tuy nhiên ở sinh vật nhân sơ thì lại không có cơ chế này nên mARN mà vi khuẩn tạo ra không được hoàn thiện vì thế sản phẩm tạo ra sẽ không như kì vọng.

Trên đây là toàn bộ những thông tin cần thiết về phương pháp tạo giống nhờ công nghệ gen. Phần kiến thức này giúp các em hiểu về sinh vật biến đổi gen, cách tạo nên chúng và một số thành tựu của công nghệ gen. Để ôn tập tốt hơn sinh 12, em có thể truy cập ngay Vuihoc.vn để đăng ký tài khoản hoặc liên hệ trung tâm hỗ trợ để nhận thêm nhiều bài học hay và chuẩn bị được kiến thức tốt nhất cho kỳ thi THPT Quốc gia sắp tới nhé!

>> Xem thêm: 

• Lý thuyết, bài tập phiên mã và dịch mã
• Quá trình nhân đôi ADN diễn ra như thế nào?
• Lý thuyết dịch mã, thành phần tham gia và diễn biến
• Lý thuyết, bài tập liên kết gen và hoán vị gen