Công nghệ sinh học — Nhân dòng DNA, PCR, CRISPR và ứng dụng

Công nghệ sinh học là việc sử dụng tế bào, enzyme hoặc các phương pháp dựa trên DNA vào mục đích thực tiễn để giải quyết vấn đề trong sinh học, y học, nông nghiệp và công nghiệp. Nếu bạn đang so sánh nhân dòng DNA, PCR và CRISPR, điểm khác biệt chính rất đơn giản: nhân dòng lưu giữ hoặc biểu hiện một trình tự DNA trong tế bào, PCR sao chép một vùng DNA đã chọn trong ống nghiệm, còn CRISPR chỉnh sửa một mục tiêu DNA đã chọn.

Nếu bạn chỉ cần câu trả lời nhanh, hãy ghép mỗi công cụ với đúng nhiệm vụ của nó. Nhân dòng tạo ra một cấu trúc DNA ổn định, PCR khuếch đại một trình tự cụ thể, còn CRISPR làm thay đổi DNA tại một vị trí đã chọn.

Công nghệ sinh học có nghĩa là gì trong sinh học

Công nghệ sinh học rộng hơn chỉnh sửa gen. Nó bao gồm các phương pháp cũ hơn như lên men và chọn giống, cũng như các phương pháp mới hơn như công nghệ DNA tái tổ hợp, giải trình tự bộ gen và chỉnh sửa gen.

Ý tưởng chung là chủ động sử dụng sinh học để thực hiện công việc hữu ích. Công việc đó có thể là sản xuất insulin, phát hiện mầm bệnh, cải thiện một tính trạng cây trồng hoặc kiểm tra cách một gen ảnh hưởng đến bệnh.

Nhân dòng DNA so với PCR so với CRISPR

Nhân dòng DNA: Lưu giữ hoặc biểu hiện một trình tự

Nhân dòng DNA thường có nghĩa là chèn một đoạn DNA vào một phân tử mang như plasmid, rồi đưa cấu trúc đó vào tế bào để trình tự này có thể được sao chép khi tế bào phát triển.

Hãy dùng nhân dòng khi bạn cần một cấu trúc DNA ổn định, nhiều bản sao của một gen hoặc sự biểu hiện của protein từ gen đó. Đây là một công cụ cốt lõi trong công nghệ DNA tái tổ hợp.

PCR: Khuếch đại một vùng DNA đã chọn

PCR, hay phản ứng chuỗi polymerase, là một phương pháp trong phòng thí nghiệm dùng để khuếch đại một vùng DNA được chọn bằng các chu kỳ lặp lại của đun nóng và làm lạnh, cùng với mồi, nucleotide và DNA polymerase.

Theo một mô hình lý tưởng hóa với sự nhân đôi hoàn hảo ở mỗi chu kỳ, lượng DNA đích tăng xấp xỉ theo

$$2^n$$

sau $n$ chu kỳ. PCR thực tế không đạt hiệu suất hoàn hảo, đặc biệt ở các chu kỳ sau, nên đây chỉ là một phép gần đúng chứ không phải điều chắc chắn.

CRISPR: Chỉnh sửa một mục tiêu DNA đã chọn

CRISPR thường chỉ một hệ thống chỉnh sửa gen trong đó RNA dẫn đường giúp định hướng một enzyme liên kết với CRISPR, chẳng hạn Cas9, đến một mục tiêu DNA đã chọn. Enzyme này cắt DNA, và quá trình sửa chữa của tế bào sau đó sẽ quyết định kết quả cuối cùng.

Nếu quá trình sửa chữa dễ phát sinh lỗi, gen đích có thể bị phá vỡ chức năng. Nếu có sẵn một khuôn sửa chữa và tế bào hỗ trợ con đường đó, một thay đổi đặc hiệu hơn có thể được đưa vào. Kết quả chính xác phụ thuộc vào thiết kế chỉnh sửa và sinh học của tế bào.

Ví dụ minh họa: Kiểm tra xem một gen có quan trọng hay không

Giả sử một phòng thí nghiệm muốn biết liệu một gen có giúp tế bào sống sót trước một loại thuốc hay không.

Trước tiên, họ có thể dùng PCR để kiểm tra xem gen đó có mặt trong các mẫu hay không. PCR là lựa chọn nhanh nếu câu hỏi là: "Trình tự DNA này có ở đây không?"

Sau đó, họ có thể dùng nhân dòng DNA để đưa gen vào một plasmid và biểu hiện nó trong tế bào. Điều đó giúp kiểm tra gen làm gì khi được thêm vào hoặc biểu hiện quá mức.

Họ cũng có thể dùng CRISPR trong một thí nghiệm riêng để làm gián đoạn gen và so sánh các tế bào đã chỉnh sửa với các tế bào chưa chỉnh sửa. Nếu các tế bào đã chỉnh sửa trở nên nhạy hơn với thuốc, điều đó ủng hộ ý tưởng rằng gen này giúp tế bào sống sót.

Cùng một mục tiêu xuất hiện trong cả ba bước, nhưng mỗi công cụ trả lời một câu hỏi khác nhau. PCR hỏi liệu trình tự có hiện diện hay không, nhân dòng hỏi điều gì xảy ra khi gen được mang hoặc biểu hiện, còn CRISPR hỏi điều gì xảy ra khi mục tiêu DNA bị thay đổi.

Công nghệ sinh học được dùng ở đâu

Y học

Công nghệ sinh học được dùng để tạo ra protein điều trị, hỗ trợ phát triển vaccine, phát hiện tác nhân gây nhiễm và nghiên cứu cơ sở di truyền của bệnh. PCR trở nên đặc biệt quen thuộc với công chúng thông qua xét nghiệm chẩn đoán, trong khi các phương pháp DNA tái tổ hợp từ lâu đã được dùng để sản xuất thuốc như insulin.

Nông nghiệp

Trong nông nghiệp, công nghệ sinh học được dùng để nghiên cứu tính trạng thực vật, cải thiện khả năng kháng bệnh và phát triển cây trồng có các đặc điểm được lựa chọn. Phương pháp cụ thể rất quan trọng: một số ứng dụng dựa vào lai tạo và chọn lọc bằng chỉ thị phân tử, trong khi những ứng dụng khác dùng biến đổi di truyền hoặc chỉnh sửa trực tiếp.

Nghiên cứu

Trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu, công nghệ sinh học là bộ công cụ hằng ngày để xác định gen, đo mức biểu hiện gen, tạo cấu trúc DNA và kiểm tra cách những thay đổi trình tự cụ thể làm biến đổi chức năng sinh học.

Công nghiệp và môi trường

Công nghệ sinh học cũng được dùng để sản xuất enzyme, cải thiện quá trình lên men công nghiệp và phát triển các cách tiếp cận sinh học cho xử lý chất thải hoặc giám sát môi trường.

Những nhầm lẫn thường gặp trong câu hỏi về công nghệ sinh học

Nhầm PCR với nhân dòng

PCR tạo ra nhiều bản sao của một đoạn DNA được chọn trong điều kiện in vitro. Nhân dòng thường đưa DNA vào một vector rồi vào tế bào để cấu trúc đó có thể được duy trì hoặc biểu hiện. Chúng thường được dùng cùng nhau, nhưng không phải là cùng một quá trình.

Cho rằng CRISPR luôn cho ra một kết quả chính xác duy nhất

CRISPR có thể nhắm vào một vị trí đã chọn, nhưng chỉnh sửa cuối cùng phụ thuộc vào thiết kế RNA dẫn đường, các con đường sửa chữa, loại tế bào và bước xác minh. Việc cắt đúng chỗ không tự động có nghĩa là trình tự DNA cuối cùng sẽ đúng hệt như kế hoạch.

Xem công nghệ sinh học chỉ là chỉnh sửa gen

Chỉnh sửa gen chỉ là một phần của công nghệ sinh học, không phải toàn bộ lĩnh vực. Lên men, sản xuất protein tái tổ hợp, nuôi cấy tế bào và nhiều phương pháp chẩn đoán cũng đều thuộc công nghệ sinh học.

Quên rằng điều kiện rất quan trọng

Một kết quả hiệu quả ở vi khuẩn có thể không chuyển trực tiếp sang thực vật, động vật hoặc tế bào người. Loài sinh vật, phương pháp đưa vào và bối cảnh quản lý đều quan trọng.

Khi nào nên dùng từng công cụ

Dùng nhân dòng DNA khi bạn cần một cấu trúc DNA có thể được lưu giữ, nhân lên hoặc biểu hiện trong tế bào.

Dùng PCR khi bạn cần phát hiện, khuếch đại hoặc kiểm tra nhanh một trình tự DNA cụ thể.

Dùng CRISPR khi câu hỏi liên quan đến việc thay đổi một trình tự đích trong bộ gen hoặc kiểm tra chức năng của một gen sau khi bị làm gián đoạn hoặc chỉnh sửa.

Hãy thử một trường hợp tương tự

Hãy chọn một mục tiêu thực tế, chẳng hạn như phát hiện mầm bệnh hoặc kiểm tra chức năng của một gen, rồi hỏi công cụ nào phù hợp với nhiệm vụ trước tiên: nhân dòng, PCR hay CRISPR. Hãy thử phiên bản của riêng bạn với một ví dụ trong y học hoặc nông nghiệp và ghép từng bước với công cụ được sử dụng.