Sự thành công trong việc ứng dụng Công nghệ di truyền vào cuộc sống và đôi điều cần suy ngẫm
Với sự tiến bộ vượt bật của khoa học ngày nay, ngày càng có nhiều sản phẩm cải tiến phục vụ cho cuộc sống được ứng dụng từ công nghệ sinh học (CNSH). Điều này có thể thấy qua những kết quả nghiên cứu đã được công bố của các nước trên thề giới. Chẳng hạn gần đây trên nhiều website đăng tin sự xuất hiện hoa hồng màu xanh lần đầu tiên trên thế giới.
Tạo được Hoa hồng màu xanh là một ước mơ ấp ủ từ bao đời nay của các nhà khoa học nhiều năm nỗ lực khám phá. Sau mười mấy năm nghiên cứu, công ty Florigene (Úc) và Suntony (Nhật Bản) là nơi đầu tiên tạo ra được loài hoa hồng xanh bằng công nghệ biến đổi gene. Họ đã ứng dụng kỹ thuật gene silencing của tổ chức CSIRO (the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) để tạo hoa hồng xanh. Đây là tổ chức lớn nghiên cứu của Úc lần đầu tiên đã khám phá ra và phát triển kỹ thuật này ở thực vật vào năm 1997 do Tiến sĩ Peter Waterhouse [3]. Florigene và Suntony đã ứng dụng kỹ thuật đầy tiềm năng này để tạo ra loài hoa hồng màu xanh lần đầu tiên có mặt trên thế giới. Kỹ thuật gene silencing đã được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu ứng dụng để xác định chức năng của gene, phát triển và cải tiến thực vật thử nghiệm có những tính trạng mong muốn. Nó có vai trò làm giảm hoặc khóa hoàn toàn hoạt tính của gene mục tiêu. Và ở đây, Florigene đã sử dụng nó để tạo hoa hồng xanh cho mục đích ứng dụng thương mại. Vậy họ đã tạo ra hoa hồng xanh như thế nào?
Hình 1: hoa hồng xanh của Florigene và Suntony được tạo bằng kỹ thuật gene silencing của CSIRO (http://www.csiro.au/files/files/p29z.pdf)
Quá trình tạo loài hoa hồng xanh bao gồm 3 bước chính [1]:
* Tắt cơ chế hình thành sắc tố đỏ.
* Mở cơ chế hình thành sắc tố xanh.
* Tạo sắc tố xanh.
Gene có vai trò trong việc hình tạo màu sắc của hoa là gene DFR (dihydroflavonol reductase). Gene DFR tổng hợp ra enzyme DFR (dihydroflavonol reductase), một enzyme có vai trò trong quá trình tổng hợp sắc tố tạo màu cho hoa. Trong hoa hồng, gene DFR tạo ra sắc tố đỏ rất tốt, chính vì vậy mà ta thường thấy hoa hồng có gam màu đỏ. Tuy nhiên, gene DFR sản xuất sắc tố xanh thì rất kém, vì vậy chúng ta rất khó tìm thấy hoa hồng màu xanh được trồng theo phương pháp truyền thống. Vì vậy, chỉ có sự can thiệp ở mức độ phân tử mới có thể làm biến đổi quá trình tạo màu ở hoa được chắc chắn.
Hình 2: các bước tạo màu ở hoa hồng thường và hoa hồng xanh của Florigene.
(http://www.csiro.au/files/files/p29z.pdf)
Bước quan trọng đầu tiên trong việc tạo ra hoa hồng xanh là làm sao ngăn cản gene DFR tạo ra sắc tố đỏ. Florigene và Suntony đã ứng dụng kỹ thuật gene silencing của CSIRO để khóa hoạt tính của gene DFR ở hoa hồng, vì vậy nó không tạo ra được sắc tố đỏ. Vai trò của gene silencing trong sinh vật là phân hủy các RNA mà có vai trò điều hòa gene chuyên biệt để tổng hợp nên protein. Và một khi các RNA này bị phân hủy thì quá trình tổng hợp protein sẽ không xảy ra. Vì vậy mà gene silencing còn được đề cập như là 1 RNAi (RNA interference) [3]. Ở đây, Florigene đã sử dụng gene silencing để can thiệp vào quá trình tổng hợp enzyme DFR tạo sắc tố đỏ của hoa hồng, và thế là sắc tố đỏ không được tạo ra.
Có 3 cơ chế khác nhau hình thành màu sắc của hoa [5]:
* Cơ chế tạo sắc tố cyanidin được kiểm soát bởi gene cyanidin mã hóa cho enzyme có vai trò làm biến đổi DHK. Sắc tố này được tạo ra làm cho hoa có gam màu đỏ đậm, tím.
* Cơ chế tạo sắc tố pelargonidin được kiểm soát bởi gene pelargonidin mà hóa cho enzyme có vai trò tham gia hình thành sắc tố tạo gam màu cam.
* Cơ chế tạo sắc tố delphinidin được kiểm soát bởi gene delphinidin mã hóa cho enzyme flavonoid-3',5'-hydroxylase có vai trò làm biến đổi trực tiếp phân tử DHK (anthocyanin dihydrokaempferol) thành sắc tố tạo gam màu xanh. Vì loài hoa hồng không có gene delphinidin này nên sắc tố xanh không được tạo ra vì vậy mà ta thường không bắt gặp hoa hồng có màu xanh.
Khi có bất kỳ đột biến nào xảy ra trong giai đoạn hình thành sắc tố theo 3 cơ chế trên thì gene DFR của hoa hồng trở nên mất hoạt tính. Đây là lý do Florigene đã dùng gene khác (gene delphinidin từ hoa pansy) để làm bất hoạt gene DFR tạo sắc tố gam màu đỏ và thay thế cơ chế tạo sắc tố gam màu xanh.
Sau khi sử dụng kỹ thuật gene silencing của CSIRO để khóa cơ chế tạo sắc tố đỏ và mở cơ chế tạo sắc tố xanh, thì nhiệm vụ cuối cùng là tìm ra gene DFR nào có thể sản xuất tốt sắc tố xanh để đưa vào hoa hồng. Florigene và Suntony đã quyết định thay thế gene DFR của hoa hồng bằng gene DFR từ hoa iris vì gene của hoa iris và hoa hồng tương tự nhau và hoa iris tạo sắc tố xanh cực tốt. Gene DFR của hoa iris được chèn vào hoa hồng và kết quả là tạo ra hoa hồng màu xanh thật sự mang sắc tố xanh, chứ không là quá trình biến đổi từ sắc tố đỏ.
Tóm lại là màu sắc của hoa hồng thường được hình thành là vai trò của 1 gene DFR của hoa hồng, còn màu sắc của hoa hồng xanh được hình thành là vai trò của cả 3 gene: gene DFR của hoa hồng, gene delphinidin của hoa păng-xê, và gene DFR từ hoa iris. Gene DFR của hoa hồng phải bị mất hoạt tính tạo sắc tố đỏ; Gene delphinidin từ hoa pansy được chèn vào để kích hoạt cơ chế tạo sắc tố xanh; và gene DFR từ hoa iris cũng được chèn vào để hỗ trợ quá trình tạo sắc tố xanh (các gene này được gắn chèn vào plasmid và chuyển nạp vào gene của hoa bằng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens).
Một kết quả nghiên cứu ứng dụng thật đáng khâm phục cho thấy tư duy và trình độ chuyên môn của họ. Ở nước ta, công nghệ sinh học ngày càng phát triển và được xem như là một trong những ngành mũi nhọn nhằm ứng dụng để phát triển kinh tế, khoa học công nghệ. Chúng ta nhận thức rõ tầm quan trọng của nó và có sự định hướng phát triển CNSH ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, thủy sản,..từ nhiều năm qua. Và cũng thu được vài kết qủa nghiên cứu khả quan và sáng tạo như đề tài nghiên cứu khoa học của Phân Viện Sinh học Đà lạt đã thành công trong việc chuyển đổi màu hoa Torenia bằng cách thêm yếu tố vi lượng vào môi trường sống của cây. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chỉ còn đang ở giai đoạn tiếp cận chứ chưa can thiệp được đến mức độ phân tử của nó như Florigene đã từng làm để có thể thu được kết quả nghiên cứu mang tính đột phá. Chúng ta có lợi thế về nguồn tài nguyên sinh vật cảnh rất phong phú và đa dạng nhiều màu sắc, chủng loại. Nhưng làm sao chúng ta ứng dụng được các công nghệ tiên tiến để can thiệp vào mức độ gene của chúng để có thể tạo ra được giống lai mới ổn định có màu sắc lạ hay nhiều hoa hơn, có hương thơm hơn, hoặc có hoạt tính kháng côn trùng, vi sinh vật gây hại? Đó là vấn đề cần phải dặt ra và có hướng giải quyết.“Nhưng liệu đến bao giờ chúng ta mới có thể tạo được đột phá mới trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng CNSH vào trong cuộc sống?”.
Vũ Thủy Tiên tổng hợp từ nguồn:
1. World’s first blue rose
(http://www.csiro.au/files/files/p29z.pdf)
2. Florigene plans blue rose field trials. (http://www.biotechnews.com.au/index.php/id;1939070170)
3. Gene silencing information sheet.
(http://www.csiro.au/)
4. Plant gene replacement results in the world's only blue rose.
(http://www.physorg.com/news3581.html)
5. Application of 'Blue' Rose Biotechnology.
(http://www.usask.ca/agriculture/plantsci/classes/plsc416/projects_2006/blue_roses/application.html)
6. http://www.florigene.com/sales/regulation.php
Tạo được Hoa hồng màu xanh là một ước mơ ấp ủ từ bao đời nay của các nhà khoa học nhiều năm nỗ lực khám phá. Sau mười mấy năm nghiên cứu, công ty Florigene (Úc) và Suntony (Nhật Bản) là nơi đầu tiên tạo ra được loài hoa hồng xanh bằng công nghệ biến đổi gene. Họ đã ứng dụng kỹ thuật gene silencing của tổ chức CSIRO (the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) để tạo hoa hồng xanh. Đây là tổ chức lớn nghiên cứu của Úc lần đầu tiên đã khám phá ra và phát triển kỹ thuật này ở thực vật vào năm 1997 do Tiến sĩ Peter Waterhouse [3]. Florigene và Suntony đã ứng dụng kỹ thuật đầy tiềm năng này để tạo ra loài hoa hồng màu xanh lần đầu tiên có mặt trên thế giới. Kỹ thuật gene silencing đã được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu ứng dụng để xác định chức năng của gene, phát triển và cải tiến thực vật thử nghiệm có những tính trạng mong muốn. Nó có vai trò làm giảm hoặc khóa hoàn toàn hoạt tính của gene mục tiêu. Và ở đây, Florigene đã sử dụng nó để tạo hoa hồng xanh cho mục đích ứng dụng thương mại. Vậy họ đã tạo ra hoa hồng xanh như thế nào?
Hình 1: hoa hồng xanh của Florigene và Suntony được tạo bằng kỹ thuật gene silencing của CSIRO (http://www.csiro.au/files/files/p29z.pdf)Quá trình tạo loài hoa hồng xanh bao gồm 3 bước chính [1]:
* Tắt cơ chế hình thành sắc tố đỏ.
* Mở cơ chế hình thành sắc tố xanh.
* Tạo sắc tố xanh.
Gene có vai trò trong việc hình tạo màu sắc của hoa là gene DFR (dihydroflavonol reductase). Gene DFR tổng hợp ra enzyme DFR (dihydroflavonol reductase), một enzyme có vai trò trong quá trình tổng hợp sắc tố tạo màu cho hoa. Trong hoa hồng, gene DFR tạo ra sắc tố đỏ rất tốt, chính vì vậy mà ta thường thấy hoa hồng có gam màu đỏ. Tuy nhiên, gene DFR sản xuất sắc tố xanh thì rất kém, vì vậy chúng ta rất khó tìm thấy hoa hồng màu xanh được trồng theo phương pháp truyền thống. Vì vậy, chỉ có sự can thiệp ở mức độ phân tử mới có thể làm biến đổi quá trình tạo màu ở hoa được chắc chắn.
Hình 2: các bước tạo màu ở hoa hồng thường và hoa hồng xanh của Florigene.(http://www.csiro.au/files/files/p29z.pdf)
Bước quan trọng đầu tiên trong việc tạo ra hoa hồng xanh là làm sao ngăn cản gene DFR tạo ra sắc tố đỏ. Florigene và Suntony đã ứng dụng kỹ thuật gene silencing của CSIRO để khóa hoạt tính của gene DFR ở hoa hồng, vì vậy nó không tạo ra được sắc tố đỏ. Vai trò của gene silencing trong sinh vật là phân hủy các RNA mà có vai trò điều hòa gene chuyên biệt để tổng hợp nên protein. Và một khi các RNA này bị phân hủy thì quá trình tổng hợp protein sẽ không xảy ra. Vì vậy mà gene silencing còn được đề cập như là 1 RNAi (RNA interference) [3]. Ở đây, Florigene đã sử dụng gene silencing để can thiệp vào quá trình tổng hợp enzyme DFR tạo sắc tố đỏ của hoa hồng, và thế là sắc tố đỏ không được tạo ra.
Có 3 cơ chế khác nhau hình thành màu sắc của hoa [5]:
* Cơ chế tạo sắc tố cyanidin được kiểm soát bởi gene cyanidin mã hóa cho enzyme có vai trò làm biến đổi DHK. Sắc tố này được tạo ra làm cho hoa có gam màu đỏ đậm, tím.
* Cơ chế tạo sắc tố pelargonidin được kiểm soát bởi gene pelargonidin mà hóa cho enzyme có vai trò tham gia hình thành sắc tố tạo gam màu cam.
* Cơ chế tạo sắc tố delphinidin được kiểm soát bởi gene delphinidin mã hóa cho enzyme flavonoid-3',5'-hydroxylase có vai trò làm biến đổi trực tiếp phân tử DHK (anthocyanin dihydrokaempferol) thành sắc tố tạo gam màu xanh. Vì loài hoa hồng không có gene delphinidin này nên sắc tố xanh không được tạo ra vì vậy mà ta thường không bắt gặp hoa hồng có màu xanh.
Khi có bất kỳ đột biến nào xảy ra trong giai đoạn hình thành sắc tố theo 3 cơ chế trên thì gene DFR của hoa hồng trở nên mất hoạt tính. Đây là lý do Florigene đã dùng gene khác (gene delphinidin từ hoa pansy) để làm bất hoạt gene DFR tạo sắc tố gam màu đỏ và thay thế cơ chế tạo sắc tố gam màu xanh.
Sau khi sử dụng kỹ thuật gene silencing của CSIRO để khóa cơ chế tạo sắc tố đỏ và mở cơ chế tạo sắc tố xanh, thì nhiệm vụ cuối cùng là tìm ra gene DFR nào có thể sản xuất tốt sắc tố xanh để đưa vào hoa hồng. Florigene và Suntony đã quyết định thay thế gene DFR của hoa hồng bằng gene DFR từ hoa iris vì gene của hoa iris và hoa hồng tương tự nhau và hoa iris tạo sắc tố xanh cực tốt. Gene DFR của hoa iris được chèn vào hoa hồng và kết quả là tạo ra hoa hồng màu xanh thật sự mang sắc tố xanh, chứ không là quá trình biến đổi từ sắc tố đỏ.
Tóm lại là màu sắc của hoa hồng thường được hình thành là vai trò của 1 gene DFR của hoa hồng, còn màu sắc của hoa hồng xanh được hình thành là vai trò của cả 3 gene: gene DFR của hoa hồng, gene delphinidin của hoa păng-xê, và gene DFR từ hoa iris. Gene DFR của hoa hồng phải bị mất hoạt tính tạo sắc tố đỏ; Gene delphinidin từ hoa pansy được chèn vào để kích hoạt cơ chế tạo sắc tố xanh; và gene DFR từ hoa iris cũng được chèn vào để hỗ trợ quá trình tạo sắc tố xanh (các gene này được gắn chèn vào plasmid và chuyển nạp vào gene của hoa bằng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens).
Một kết quả nghiên cứu ứng dụng thật đáng khâm phục cho thấy tư duy và trình độ chuyên môn của họ. Ở nước ta, công nghệ sinh học ngày càng phát triển và được xem như là một trong những ngành mũi nhọn nhằm ứng dụng để phát triển kinh tế, khoa học công nghệ. Chúng ta nhận thức rõ tầm quan trọng của nó và có sự định hướng phát triển CNSH ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, thủy sản,..từ nhiều năm qua. Và cũng thu được vài kết qủa nghiên cứu khả quan và sáng tạo như đề tài nghiên cứu khoa học của Phân Viện Sinh học Đà lạt đã thành công trong việc chuyển đổi màu hoa Torenia bằng cách thêm yếu tố vi lượng vào môi trường sống của cây. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chỉ còn đang ở giai đoạn tiếp cận chứ chưa can thiệp được đến mức độ phân tử của nó như Florigene đã từng làm để có thể thu được kết quả nghiên cứu mang tính đột phá. Chúng ta có lợi thế về nguồn tài nguyên sinh vật cảnh rất phong phú và đa dạng nhiều màu sắc, chủng loại. Nhưng làm sao chúng ta ứng dụng được các công nghệ tiên tiến để can thiệp vào mức độ gene của chúng để có thể tạo ra được giống lai mới ổn định có màu sắc lạ hay nhiều hoa hơn, có hương thơm hơn, hoặc có hoạt tính kháng côn trùng, vi sinh vật gây hại? Đó là vấn đề cần phải dặt ra và có hướng giải quyết.“Nhưng liệu đến bao giờ chúng ta mới có thể tạo được đột phá mới trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng CNSH vào trong cuộc sống?”.
Vũ Thủy Tiên tổng hợp từ nguồn:
1. World’s first blue rose
(http://www.csiro.au/files/files/p29z.pdf)
2. Florigene plans blue rose field trials. (http://www.biotechnews.com.au/index.php/id;1939070170)
3. Gene silencing information sheet.
(http://www.csiro.au/)
4. Plant gene replacement results in the world's only blue rose.
(http://www.physorg.com/news3581.html)
5. Application of 'Blue' Rose Biotechnology.
(http://www.usask.ca/agriculture/plantsci/classes/plsc416/projects_2006/blue_roses/application.html)
6. http://www.florigene.com/sales/regulation.php
Aucun commentaire:
Enregistrer un commentaire