DNA kết hợp mới

DNA kết hợp mới (viết tắt là rDNA) là phân tử DNA được tạo ra từ việc kết hợp nhiều trình tự DNA của các loài khác nhau. Trong kỹ thuật di truyền, DNA kết hợp mới thường được hình thành bằng cách ghép những đoạn DNA từ các nguồn khác nhau vào trong vectơ tách dòng. Những vectơ này có thể tạo ra các protein kết hợp mới trong các sinh vật. Ví dụ, các dược phẩm như insulin, hormone tăng trưởng và oxytocin được sản xuất nhờ công nghệ DNA kết hợp mới. Các vắc-xin cũng có thể được sản xuất bằng phương pháp này. Sinh vật chủ thường được sử dụng trong công nghệ này là Escherichia coli.

DNA kết hợp mới là thuật ngữ chỉ một đoạn DNA được tạo ra từ việc kết hợp nhiều đoạn DNA từ các nguồn khác nhau. Việc tạo ra DNA kết hợp mới là khả thi vì tất cả các phân tử DNA đều có cấu trúc hóa học chung, chỉ khác biệt về trình tự nucleotide. Các phân tử DNA kết hợp mới đôi khi được gọi là DNA khảm vì chúng có thể bao gồm vật liệu từ hai loài khác nhau, tương tự như chimera trong thần thoại. Công nghệ rDNA sử dụng các trình tự palindromic, tạo ra các đầu dính và đầu gãy.

Các trình tự DNA được sử dụng để xây dựng các phân tử DNA kết hợp mới có thể đến từ bất kỳ loài nào. Ví dụ, DNA từ thực vật có thể kết hợp với DNA từ vi khuẩn, hoặc DNA của con người có thể kết hợp với DNA từ nấm. Thêm vào đó, các trình tự DNA không có trong tự nhiên có thể được tổng hợp hóa học và đưa vào các phân tử DNA kết hợp mới. Nhờ công nghệ DNA kết hợp mới và tổng hợp, bất kỳ trình tự DNA nào cũng có thể được tạo ra và đưa vào cơ thể sống.

Protein có thể được tạo ra từ việc biểu hiện của DNA tái tổ hợp trong các tế bào sống, và chúng được gọi là protein tái tổ hợp. Khi ADN tái tổ hợp mã hóa protein được đưa vào cơ thể vật chủ, việc tạo ra protein tái tổ hợp không phải lúc nào cũng xảy ra. Để biểu hiện các protein ngoại lai, cần phải sử dụng các vectơ biểu hiện đặc biệt và thường phải thực hiện tái cấu trúc đáng kể với trình tự mã hóa ngoại lai.

DNA tái tổ hợp khác biệt so với tái tổ hợp di truyền ở chỗ, tái tổ hợp là kết quả của các phương pháp nhân tạo, trong khi tái tổ hợp di truyền là một quá trình sinh học tự nhiên làm cho các chuỗi DNA hiện có trong tất cả các sinh vật được trộn lẫn với nhau.

Tạo DNA

Nhân bản phân tử là quá trình tạo ra DNA tái tổ hợp trong môi trường phòng thí nghiệm.

Đây là một trong hai phương pháp phổ biến nhất, cùng với phản ứng chuỗi polymerase (PCR), được sử dụng để định hướng sao chép bất kỳ trình tự DNA cụ thể nào mà nhà nghiên cứu chọn. Có hai sự khác biệt chính giữa các phương pháp này. Thứ nhất, nhân bản phân tử liên quan đến việc sao chép DNA trong tế bào sống, trong khi PCR thực hiện sao chép DNA trong ống nghiệm mà không cần tế bào sống. Thứ hai, nhân bản phân tử liên quan đến việc cắt và nối các chuỗi DNA, trong khi PCR thực hiện việc khuếch đại bằng cách sao chép một chuỗi hiện có.

Biểu hiện DNA

Sau khi được cấy ghép vào cơ thể vật chủ, DNA ngoại lai có trong cấu trúc DNA tái tổ hợp có thể không thể hiện ra. Điều này có nghĩa là DNA có thể được sao chép mà không có biểu hiện, hoặc có thể được phiên mã và dịch mã để tạo ra protein tái tổ hợp. Thông thường, để một gen ngoại lai có thể biểu hiện, cần phải điều chỉnh gen để bao gồm các trình tự cần thiết cho việc tạo ra phân tử mRNA, mà bộ máy dịch mã của vật chủ có thể sử dụng (chẳng hạn như promoter, tín hiệu bắt đầu dịch mã, và điểm kết thúc phiên mã). Những thay đổi cụ thể có thể được thực hiện đối với sinh vật chủ để nâng cao biểu hiện của gen ngoại lai. Thêm vào đó, có thể cần thay đổi trình tự mã hóa để tối ưu hóa quá trình dịch mã, làm cho protein hòa tan, định hướng protein tái tổ hợp đến vị trí chính xác trong tế bào hoặc ngoài tế bào, và bảo vệ protein khỏi sự phân hủy.

Lịch sử

Ý tưởng về DNA tái tổ hợp lần đầu tiên được đề xuất bởi Peter Lobban, một sinh viên của Giáo sư Dale Kaiser tại Khoa Hóa sinh, Trường Y Đại học Stanford. Các công trình đầu tiên mô tả việc sản xuất và sao chép DNA tái tổ hợp thành công được công bố vào năm 1972 và 1973, từ Stanford và UCSF. Năm 1980, Paul Berg, giáo sư Khoa Hóa sinh tại Stanford và là tác giả của một trong những bài báo đầu tiên, đã được trao giải Nobel Hóa học cho nghiên cứu của ông về axit nucleic, 'đặc biệt là liên quan đến DNA tái tổ hợp'. Werner Arber, Hamilton Smith và Daniel Nathans đã nhận Giải Nobel Sinh lý học và Y học năm 1978 nhờ khám phá Endonuclease hạn chế, nâng cao các kỹ thuật trong công nghệ rDNA.

Đại học Stanford đã đăng ký cấp bằng sáng chế về DNA tái tổ hợp tại Hoa Kỳ vào năm 1974, với các nhà phát minh là Herbert W. Boyer (giáo sư tại Đại học California, San Francisco) và Stanley N. Cohen (giáo sư tại Đại học Stanford); bằng sáng chế này được cấp vào năm 1980. Loại thuốc đầu tiên nhận được giấy phép sử dụng công nghệ DNA tái tổ hợp là insulin nhân tạo, được phát triển bởi Genentech và được cấp phép bởi Eli Lilly and Company.

Tranh cãi

Những nhà khoa học liên quan đến sự phát triển sớm của các phương pháp DNA tái tổ hợp đã nhận ra rằng có khả năng các sinh vật chứa DNA tái tổ hợp có thể mang theo những đặc tính không mong muốn hoặc nguy hiểm. Tại Hội nghị Asilomar về DNA tái tổ hợp năm 1975, những lo ngại này đã được thảo luận và một lệnh cấm tự nguyện đối với các nghiên cứu về DNA tái tổ hợp đã được thiết lập cho những thí nghiệm đặc biệt rủi ro. Lệnh cấm này đã được tuân thủ rộng rãi cho đến khi Viện Y tế Quốc gia (Hoa Kỳ) phát triển và công bố các hướng dẫn chính thức cho công việc với rDNA. Hiện nay, các phân tử DNA tái tổ hợp và protein tái tổ hợp thường không được coi là nguy hiểm. Tuy nhiên, vẫn còn những lo ngại về các sinh vật biểu hiện DNA tái tổ hợp, đặc biệt là khi chúng ra khỏi phòng thí nghiệm và xâm nhập vào môi trường hoặc chuỗi thức ăn. Những lo ngại này thường xuất hiện trong các bài viết về sinh vật biến đổi gen và tranh cãi liên quan đến thực phẩm biến đổi gen. Hơn nữa, còn có những mối quan tâm về các sản phẩm phụ trong sản xuất dược phẩm sinh học, nơi mà DNA tái tổ hợp tạo ra các sản phẩm protein cụ thể. Sản phẩm phụ chính, được gọi là protein tế bào chủ, xuất phát từ hệ thống biểu hiện của vật chủ và có thể gây ra mối đe dọa đối với sức khỏe của bệnh nhân và môi trường.

• Công nghệ di truyền
• Sinh vật biến đổi gen

Đọc thêm

• The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology. Touchstone Books, ISBN 0-671-22540-5. 2nd edition: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1996 paperback: ISBN 0-87969-478-5.
• Micklas, David. 2003. DNA Science: A First Course. Cold Spring Harbor Press: ISBN 978-0-87969-636-8.
• Rasmussen, Nicolas, Gene Jockeys: Life Science and the Rise of Biotech Enterprise, Johns Hopkins University Press, (Baltimore), 2014. ISBN 978-1-42141-340-2.
• Rosenfeld, Israel. 2010. DNA: A Graphic Guide to the Molecule that Shook the World. Columbia University Press: ISBN 978-0-231-14271-7.
• Schultz, Mark và Zander Cannon. 2009. The Stuff of Life: A Graphic Guide to Genetics and DNA. Hill and Wang: ISBN 0-8090-8947-5.
• Watson, James. 2004. DNA: The Secret of Life. Random House: ISBN 978-0-09-945184-6.

Liên kết ngoài

• Tài liệu về DNA tái tổ hợp (từ Đại học New Hampshire)
• Plasmid trong Nấm men (Thông tin từ Đại học bang San Diego)
• Hoạt hình minh họa quá trình xây dựng DNA tái tổ hợp và sản xuất protein ngoại lai bởi vi khuẩn tái tổ hợp Lưu trữ 2012-03-28 tại Wayback Machine
• Nghiên cứu DNA tái tổ hợp tại UCSF và ứng dụng thương mại tại Genentech Biên bản phỏng vấn năm 1994 với Herbert W. Boyer, Dự án lịch sử sống, Lịch sử truyền miệng.
• Sách hướng dẫn về Nguyên tắc và Phương pháp Tinh chế Protein Tái tổ hợp Lưu trữ 2008-12-05 tại Wayback Machine
• Viện Công nghệ Massachusetts, Chương trình Lịch sử Miệng, Bộ sưu tập Lịch sử Miệng về Cuộc tranh cãi DNA Tái tổ hợp, MC-0100. Bộ sưu tập đặc biệt, Cambridge, Massachusetts