Bài 1 trang 105 sgk Sinh học 12 nâng cao: Hãy nêu những thành tựu về tạo giống mới ở vi sinh vật bằng công nghệ gen. Cho ví dụ.
Lời giải:
- Việc tạo giống mới bằng công nghệ gen ở vi sinh vật đã phá vỡ ranh giới loài sinh học, từ đó tạo ra các chủng vi sinh vật sản xuất các sản phẩm mong muốn của con người nhanh, dễ sản xuất đặc hiệu, quy mô công nghiệp.
- VD: Tạo chủng vi khuẩn E.coli sản xuất insulin của người:
+ Insulin là hoocmôn tuyến tụy có chức năng điều hòa glucôzơ trong máu. Trường hợp insulin do cơ thể sản xuất ra không đủ hoặc mất chức năng sẽ gây bệnh đái tháo đường, glucôzơ bị thải ra qua nước tiểu.
+ Gen tổng hợp insulin được tách ra từ cơ thể người và chuyển vào vi khuẩn E.coli bằng vectơ là plasmit. Sau đó, vi khuẩn này được sản xuất ở quy mô công nghiệp tổng hợp ra insulin giống như trong cơ thể người với số lượng lớn hơn rất nhiều, đáp ứng được nhu cầu thuốc chữa bệnh của con người.
Bằng cách thay đổi ADN, cho kết hợp với ADN khác, khoa học đã tạo được bộ một bộ gen mới, tiền thân của sản phẩm biến đổi gen hoàn chỉnh.
Theo số liệu thống kê, 45% ngô và 85% đậu nành của Mỹ là sản phẩm GMO, 70 đến 75% thực phẩm được chế biến bán trên thị trường của Mỹ có chứa thành phần chuyển gen. Dưới đây là một số sản phẩm tiêu biểu của công nghệ chuyển gen được con người tạo ra trong thời gian gian gần đây.
1. Mèo phát sáng
Năm 2007, các nhà khoa học Hàn Quốc đã tạo ra sản phẩm động vật GMO độc đáo, những con mèo phát sáng bằng cách thay đổi ADN, sau đó sử dụng ADN và cho nhân bản với con mèo khác tạo ra những con mèo có khả năng phát sáng màu huỳnh quang. Trong nghiên cứu này, tế bào da của con mèo cái Angma Thổ Nhĩ Kỳ và một virus được sử dụng để chèn vào các hướng dẫn di truyền, giúp nó tạo ra protein phát màu huỳnh quang đỏ. Nhân đã thay gen được đưa vào trứng để nhân bản, phôi nhân bản được cấy trở lại cho mèo mang thai hộ và cuối cùng tạo ra giống mèo phát sáng. Mục đích của nghiên cứu trên là giúp các nhà khoa học tạo ra những con vật mang theo các bệnh của con người để tìm ra hướng đi mới trong việc điều trị hoặc các loại thuốc chữa trị, nhất là những căn bệnh nan y học đang bó tay.
2.Lợn môi trường
Bằng kỹ thuật chuyển gen, các nhà khoa học đã tạo ra một loại lợn có tên là Enviropig hay Frankenswine. Đây là giống lợn môi trường nó có khả năng trẻ hóa, xử lý phốt pho có hiệu quả. Nói ngắn gọn hơn là trong phân và nước tiểu của lợn Enviropig có chứa phytale [một dạng phốt pho] thấp nên không gây ô nhiễm môi trường, không giết hại động vật phù du, tảo và gây ảnh hưởng đến môi trường sinh thái nước. Để tạo ra loại lợn Enviropig các nhà khoa học đã bổ sung một loại khuẩn E.coli và ADN của chuột vào phôi bào lợn. Quá trình chuyển gen này làm cho lợn xử lý phốt pho tốt ngay trong quá trình tiêu hóa nên giảm được tới 75% phốt pho thải ra ngoài qua đường phân và nước tiểu.
3.Cây trồng giảm ô nhiễm
Các chuyên gia ở ĐH Washington Mỹ đã dùng kỹ thuật chuyển gen tạo ra một loại cây dương [poplar] có khả năng khử được ô nhiễm tại chỗ bằng cách hấp thụ nước ô nhiễm vào hệ thống rễ của nó. Loại cây này có khả năng bẻ gãy các chất gây ô nhiễm thành những sản phẩm phụ vô hại và kết hợp với rễ, gốc và lá của nó tiến hành xử lý sau đó nhả ra môi trường không khí. Qua thí nghiệm, những cây trồng chuyển gen có khả năng khử được tới 91% trichloroethylen có trong nguồn nước bị ô nhiễm.
4.Bắp cải tiết ra nọc độc
Bắp cải tiết ra nọc độc [Venomous cabbage] là sản phẩm chuyển gen rất độc đáo nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu hạn chế sử dụng thuốc trừ sâu và ngăn ngừa các loại sâu bệnh lan truyền bệnh đối các vụ cây trồng, nhất là cho bắp cải. Để tạo ra loại bắp cải này các nhà khoa học đã lấy một gen làm nhiệm vụ tạo chương trình tiết ra nọc độc ở đuôi bò cạp và kết hợp với gen có trong bắp cải. Bắp cải chuyển gen có khả năng sản xuất được nọc độc giống như loài bò cạp, tiêu diệt được các loại sâu ăn lá ở bắp cải nhưng lại không gây nguy hiểm cho con người, môi trường và các loại động vật khác khi ăn vào.
5.Dê sản xuất sợi siêu bền
Năm 2000, công ty sinh học Nexia Biotechologies [NB] của Canada đã sản xuất thành công tơ siêu bền từ sữa dê, độ bền tương đương với tơ nhện nên có thể ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, đặc biệt là sản xuất dù, sản xuất tơ nhân tạo dùng cho mục đích y học hay quân sự. Để tạo được loại tơ này các nhà khoa học đã cài một gen tơ kéo của nhện vào trong ADN của dê sau đó dê có thể tiết ra protein sản xuất tơ ngay trong sữa của nó. Sữa có chứa tơ sau đó được dùng để sản xuất vật liệu kiểu mạng nhện có tên là Biosteal hay còn gọi là thép sinh học có nghĩa là có độ bền cực lớn.
6.Cá hồi lớn nhanh
Năm 2010, hãng AquaBouty của Mỹ đã lai tạo thành công loại cá hồi có tốc độ lớn nhanh gấp 2 lần cá hồi hoang dã, chất lượng mùi vị, màu sắc lại không khác gì cá hồi hoang dã, chính điều này đã được Cục quản lý Thực - Dược phẩm Mỹ [FDA] phê duyệt cho phép lưu thông và trở thành thực phẩm GMO động vật đầu tiên được phê duyệt sử dụng cho con người. Để tạo được loại cá hồi này, người ta đã bổ sung thêm một gen tăng trưởng từ cá hồi Chinook giúp nó sản xuất được hormone tăng trưởng suốt quanh năm, ngoài ra còn bổ sung thêm một gen từ giống cá đại dương, giống như cá chình có tên là Pout để đảm nhận việc "đóng mở" các loại hormone tăng trưởng này.
7.Ra đời loại cà chua mùi vị thơm ngon
Công ty Calgene ở California Mỹ là nơi độc quyền sản xuất loại cà chua mùi vị thơm ngon, có tên là Flavr Savr [FS] được FDA phê duyệt cho phép sử dụng cho con người. Để tạo ra cà chua FS các nhà khoa học đã bổ sung thêm một gen kháng cảm [antisense gene] để làm chậm quá trình chín của cà chua, nhằm ngăn chặn quá trình thối rữa, nhưng vẫn giữ được mùi vị và màu sắc tự nhiên, giúp cho việc bảo quản, vận chuyển được thuận tiện, bởi đây là một trong những nguyên nhân làm giảm chất lượng gây thiệt hại lớn cho nông dân, nhất là vào thời vụ thu hoạch đại trà.
8.Vắc xin chuối
Vắc xin chuối [Banana vaccine] là sản phẩm mới dự kiến sẽ ra đời trong tương lai gần, đặc biệt là phòng ngừa bệnh viêm gan B và bệnh tả bằng cách chỉ cần ăn chuối là đủ, không cần phải tiêm chủng hoặc uống thuốc mà lâu nay người ta vẫn áp dụng. Ngoài chuối, các nhà khoa học còn lai tạo các sản phẩm cây trồng "vắc xin" khác như khoai tây, rau diếp, cà rốt, thuốc lá nhưng chuối được xem là ứng cử viên sáng giá nhất cho mục tiêu nói trên. Loại chuối này được tạo ra bằng cách tiêm vào cho chuối non một loại virus đã chuyển đổi, sau đó vật liệu chuyển gen của virus sẽ nhanh chóng trở thành một bộ phận "cấu thành" tế bào của chuối, khi phát triển các tế bào của chuối sẽ sản xuất ra các protein virus nhưng không phải là phần truyền nhiễm virus. Chuối chuyển gen có chứa các protein virus và thống kháng thể của nó sẽ tạo ra những hợp chất giúp cơ thể con người kháng lại bệnh tật, giống như cơ chế ngừa bệnh của vắc xin truyền thống.
9.Bò trung hòa chất gây ô nhiễm không khí
Bò là động vật nhưng lại sản xuất khí methane trong quá trình tiêu hóa của nó, đây là hóa chất thứ hai sau carbon dioxide [CO2] gây hiệu ứng khí nhà kính. Để khắc phục tình trạng này, các chuyên gia ở ĐH Alberta [Canada] đã phát hiện thấy một loại khuẩn, thủ phạm tạo methane trong quá trình tiêu hóa thức ăn, cỏ khô và tạo ra một loại bò có khả năng giảm được tới 25% lượng khí methane so với loại bò sinh sản bằng phương pháp truyền thống.
10.Trứng y học
Sau thời gian dài nghiên cứu, các nhà khoa học Anh đã lai tạo thành công những con gà có khả năng cho ra đời những loại trứng có chứa các thành phần ngăn ngừa bệnh ung thư cho con người. Hệ ADN của những con gà này được bổ sung các gen của người để các protein của con người tiết vào lòng trắng trứng một hỗn hợp protein có chứa các thành phần chữa bệnh giống như dược phẩm mà người ta dùng chữa bệnh ung thư da và các loại bệnh khác. Nói cụ thể hơn là trong trứng gà nói trên có chứa miR24, đây là một phân tử có khả năng trị khối u ác tính và viêm khớp và một interferon b-1a của con người có tác dụng điều trị bệnh xơ cứng rải rác.
Cập nhật: 15:05, Thứ 6, 15/02/2019
Các thủ lĩnh quốc gia đều hiểu rằng đổi mới sáng tạo chỉ có thể nẩy mầm trên các nền tảng các phát minh, sáng chế mới của KHCN.
Tạp chí National Geographic, Mỹ, số ra tháng 9 năm 2017 có bài “Quốc gia nhỏ bé nuôi dưỡng thế giới”. Bài báo cho thấy Hà Lan là một quốc gia nhỏ xíu trên thế giới, với mật độ dân số hơn 1.300 người trên một dặm vuông. Tuy nhiên, Hà Lan xếp thứ 2 về xuất khẩu thực phẩm trên thế giới [tính theo giá trị], chỉ đứng sau Hoa Kỳ, quốc gia với diện tích 270 lần lớn hơn Hà Lan. Gần hai thập kỷ trước, người Hà Lan đã thực hiện cam kết xây dựng quốc gia nông nghiệp bền vững với khẩu hiệu “Thực phẩm tăng gấp 2, chi phí tài nguyên giảm một nửa”.
| Trồng rau tiết kiệm không gian ở Ấn Độ |
Hà Lan dẫn đầu thế giới về nông nghiệp công nghệ cao. Ngành nông nghiệp và thực phẩm chiếm 22% tổng xuất khẩu của Hà Lan, trong đó xuất khẩu thiết bị, công nghệ đạt 9,0 tỷ USD năm 2017. Nhu cầu của thị trường quốc tế ngày càng tăng đối với công nghệ của Hà Lan do hiệu quả sử dụng năng lượng tiết kiệm, nông nghiệp chính xác, hệ thống sensors, điều khiển tự động, GPS, máy bay không người lái và những phát minh mới làm cho cây trồng có khả năng chống lại các tác động của biến đổi khí hậu và bệnh tật.
2] Phát minh các công cụ đầy sức mạnh biến đổi hệ thống gen ở cây trồng
Năm 2015, Hội đồng thẩm định các công nghệ mới, thuộc Diễn đàn Kinh tế thế giới đã bình chọn 10 công nghệ mới quan trọng nhất đối với nhân loại, trong đó có 2 công nghệ thuộc lĩnh vực gen và di truyền, đó là:
i] Các công nghệ kỹ thuật di truyền chính xác:
- Công nghệ chỉnh sửa hệ thống gen
- Công nghệ bất hoạt gen
ii] Hệ thống gen kỹ thuật số
a] Công nghệ chỉnh sửa gen: Công nghệ chỉnh sửa gen cho phép cắt bỏ hoặc bổ sung một đoạn trình tự DNA [gồm 1 đến nhiều nucleotids hoặc 1 đến vài gen], thay đổi trình tự nucleotids hoặc thay thế các nucleotids trên DNA ở một vị trí xác định trên nhiễm sắc thể của hệ gen. Công nghệ này có khả năng tạo ra cuộc cách mạng sinh học, giống cây trồng, vật nuôi trên toàn cầu. Năm 2017 được xem là một năm quan trọng đối với công nghệ chỉnh sửa gen trong nông nghiệp.
Tháng 3 năm 2017, Israel tuyên bố cây trồng chỉnh sửa gen sẽ không tuân theo các quy chế GMO khi không có DNA ngoại sinh nào được đưa vào hệ gen cuối cùng của thực vật. Tháng 6-2017, Tổ chức nghiên cứu nông nghiệp và thực phẩm quốc gia Nhật Bản đã tiến hành thử nghiệm giống lúa chỉnh sửa gen đầu tiên ở Nhật.
Tháng 9, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đã phê chuẩn giống chỉnh sửa gen Camelina không biến đổi gen [Non GMO] với hàm lượng dầu cao. Công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 đã được Viện MIT và Harvard [Broad Institute of MIT and Harvard] chuyển giao cho các công ty giống siêu quốc gia như Syngenta và DuPont Pioneer để áp dụng cho nông nghiệp. Monsanto cũng nhận được từ Broad Institute of MIT and Harvard giấy phép sử dụng công nghệ CRISPR-Cpf1 mới nhất. DuPont Pioneer nhận được từ ERS Genomics và Đại học Vilnius giấy phép độc quyền CRISPR-Cas cho ứng dụng vào nông nghiệp. DuPont Pioneer đã đạt được thỏa thuận với CasZyme để cùng nhau phát triển một công cụ chỉnh sửa mới theo CRISPR-Cas. Công nghệ mới Genome editing [công nghệ chỉnh sửa gen] với các hệ thống công cụ sửa gen TALEN, CRISPR/Cas9, CRISPR/Cas đã cho phép chỉnh sửa hệ gen ở rất nhiều loài sinh vật, kể cả các gen gây bệnh ở động vật và người. Số công bố khoa học về ứng dụng của công nghệ này đang tăng nhanh ở cấp số nhân trên thế giới.
b] Công nghệ bất hoạt gen [RNAi]: Công nghệ này cho phép gây bất hoạt [Knock out] hoặc làm giảm hoạt hóa [Knock down] một gen bất kỳ trong cơ thể sống hoặc giống cây, giống con vì mục đích của con người. Với công nghệ bất hoạt gen, các nhà khoa học Mỹ do TS Craig Venter lãnh đạo đã tạo ra giống tằm kéo tơ nhện [bất hoạt gen tơ tằm và cài gen tơ nhện vào con tằm]. Giống tằm kéo tơ nhện có năng suất sợi cao, sợi tơ dài hơn và bền hơn rất nhiều so với tơ tằm.
TS Craig Venter [nhà khoa học đã từng tích cực chống chiến tranh Việt Nam], cũng là nhà khoa học đã tạo ra chủng vi khuẩn nhân tạo đầu tiên trên trái đất. Ông đang mở ra kỷ nguyên thiết kế hàng loạt các chủng vi sinh mới, dự kiến sẽ làm thay đổi ngành công nghiệp vi sinh, công nghiệp sinh hóa và enzyme trong tương lai không xa. Bằng cách kết hợp gây bất hoạt các gen màu đặc thù của hoa hồng và chuyển gen của các loài hoa màu violet và blue, các nhà khoa học Úc ở CSIRO đã tạo ra giống hoa hồng mới chưa từng có mang màu tím violet và màu xanh blue.
a] Giống mía năng lượng: Tập đoàn Granbio [Brazil] đã phát triển giống mía năng lượng Cana Vertix Energycane để sản xuất ethanol từ bã và thân lá cây mía, năng suất cao gấp 3 lần so với mía thông thường và có thể trồng trên đất thoái hóa. Cana Vertix đã được phát triển bằng cách lai các loài mía dại với giống mía thương mại. Giống mới sinh trưởng mạnh hơn, chịu sâu bệnh tốt hơn, hàm lượng chất xơ cao hơn và năng suất cao hơn các giống mía thương mại khác. Trại thực nghiệm mía của USDA-ARS tại Canal Point [Mỹ] đã chọn tạo được các giống mía năng lượng Energycane có năng suất đạt 220 tấn/ha.
Đặc biệt hơn, bằng công nghệ di truyền, các nhà khoa học Mỹ đã chọn tạo được giống mía mới, chưa từng có trong tự nhiên, gọi là giống Mía béo [LipidCane]. Nhóm nghiên cứu PETROSS, Đại học Illinois đã phát triển giống mía có khả năng sản sinh dầu béo trong lá và thân cây, đồng thời cũng có khả năng sản xuất nhiều đường hơn, có thể được sử dụng cho sản xuất ethanol và diesel. Đến nay, PETROSS đã tạo được cây mía chuyển gen với hàm lượng dầu béo đạt 13%, trong đó 8% là dầu có thể chuyển đổi thành dầu diesel sinh học.
4] Thiết kế hệ gen của các chủng nấm men và vi khuẩn E. Coli để sản xuất Artemisilin
Trong tự nhiên, chỉ có cây thanh cao hoa vàng có khả năng sinh tổng hợp chất chống sốt rét Artemisilin. Các nhà khoa học Mỹ đã chuyển gen từ cây thanh cao hoa vàng vào nấm men và vi khuẩn E.Coli để sản xuất thuốc chống sốt rét Artemisilin. Nhờ vậy, việc sản xuất Artemisilin quy mô lớn sẽ được thực hiện hoàn toàn bằng bằng công nghệ lên men vi khuẩn và nấm men, thay thế cây thanh cao hoa vàng. Hệ thống sản xuất công nghiệp do Công ty dược Sanofi thực hiện.
5] Công nghệ vi sinh và enzyme chế biến sinh khối
Brazil là nước sản xuất mía và nhiên liệu từ mía đường lớn nhất thế giới: trong niên vụ 2013-2014, họ sản xuất 659 triệu tấn mía cây, 38 triệu tấn đường và gần 28 tỷ lít ethanol. Niên vụ 2015/2016, Brazil đã tăng sản lượng ethnol lên 30,23 tỷ lít. Từ tháng 9/năm 2014, tập đoàn Grand Bio, lần đầu tiên ở Brazil đã bắt đầu sản xuất bioethanol từ cellulose [ethanol thế hệ 2], dựa chủ yếu vào công nghệ enzyme từ Hãng Novozymes Đan Mạch và chủng giống vi sinh nhập từ hãng DSM Đức. Công ty Đan Mạch Novozymes cung cấp các enzyme dùng để phân giải lignin và hemicellulose trong bã, lá mía để sản xuất glucose, sau đó sản xuất ethanol thông qua quá trình lên men đường glucose. Brazil đã trở thành quốc gia đầu tiên xây dựng thành công công nghiệp sản xuất Bio-Ethanol lớn nhất thế giới từ toàn bộ sinh khối cây mía.
Các nhà khoa học thuộc Trung tâm Kỹ thuật gen và CNSH quốc tế [ICGEB] cho biết họ đã phân lập, thiết kế được các chủng vi sinh vật và các enzym đặc thù từ ruột ở các loại côn trùng đặc biệt trong tự nhiên như mối ăn gỗ, sâu đục thân, các loại nấm, vi khuẩn... Các chủng vi sinh và enzym đã cho hiệu quả chuyển hóa sinh khối thành đường rất cao. Từ 10 kg rơm rạ khô, họ đã thu được tới 6 kg đường. Công nghệ này đang được tiếp tục nghiên cứu nhằm giảm giá thành các chủng giống vi sinh và enzym xuống thấp nhằm chuyển hóa công nghệ này thành công nghiệp.
Phải chăng cuộc cách mạng công nghiệp sinh khối trên thế giới đã bắt đầu. Các chủng vi sinh vật và các enzyms mới có thể chuyển hóa toàn bộ sinh khối thành đường, hóa chất, năng lượng sinh học và vật liệu mới. Mỗi chủng vi sinh vật và các enzyms trong đó là một nhà máy sinh hóa mini. Mỗi cơ thể sống, tế bào sống thực vật và động vật là một nhà máy sinh hóa khổng lồ. Công nghệ vi sinh và enzyms sẽ có thể chuyển hóa sinh khối thành vô vàn các sinh chất khác nhau.
Thế giới sản xuất trung bình khoảng 620 triệu tấn sinh khối rơm rạ năm. Việt Nam sản xuất khoảng 45 triệu tấn lúa năm. Sinh khối rơm rạ và vỏ trấu ước tính trên 45 triệu tấn năm. Nước ta mỗi năm cũng sản xuất trên 4 triệu tấn bã mía. Việc nghiên cứu phát triển các công nghệ chế biến sinh khối thành phân bón, giá thể hữu cơ, nấm ăn và nấm được liệu và hóa chất nông nghiệp đã và đang được Bộ KHCN đầu tư phát triển ở một số công ty và viện nghiên cứu.
Kết luận
Các thủ lĩnh quốc gia đều hiểu rằng đổi mới sáng tạo chỉ có thể nẩy mầm trên các nền tảng các phát minh, sáng chế mới của KHCN. Các xu hướng và thành tựu của KHCN trên thế giới hết sức đa dạng. Trên đây, chúng tôi chỉ đề cập được một số xu hướng phát triển để chúng ta cùng tham khảo. Tầm nhìn chiến lược là đèn pha chiếu rọi tương lai. Trong thời đại ngày nay, tầm nhìn chiến lược phải là tầm nhìn từ vệ tinh, từ các dữ liệu lớn và trí tuệ tin học sắc sảo. Thiếu tầm nhìn sẽ chẳng khác nào “múa gậy trong bị”. Trong khi, trí tuệ kinh tế và trí tuệ KHCN là 2 đòn bẩy chủ lực để nâng cao hiệu quả của hệ thống nông nghiệp nước nhà. Thiếu 2 đòn bẩy đó, nền kinh tế chắc chắn sẽ tụt hậu và thiệt hại đầu tiên chính là nông dân, gần 70% dân số nước ta đang sống ở nông thôn.
TRUNG HIẾU - TRẦN HỒ [GHI]
GS.TS ĐỖ NĂNG VỊNH
[Viện Di truyền Nông nghiệp]
//m.nongnghiep.vn/mot-so-xu-huong-va-thanh-tuu-moi-cua-khoa-hoc-cong-nghe-post236590.html