Giải Chuyên đề Sinh học 12 Chân trời sáng tạo bài 3
Bài 3: Công nghệ gene và thành tựu
VnDoc.com xin gửi tới bạn đọc bài viết Giải Chuyên đề Sinh học 12 Chân trời sáng tạo bài 3: Công nghệ gene và thành tựu để bạn đọc cùng tham khảo. Bài viết hướng dẫn bạn đọc trả lời các câu hỏi trong Chuyên đề Sinh học lớp 12 các trang 19 ... 30. Mời các bạn cùng theo dõi.
Mở đầu trang 19 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Vào năm 2000, một trong những sản phẩm dự án nghệ thuật chuyển gene mang tên "GFP Bunny" của giáo sư Eduardo Kac (thuộc Học viện Nghệ thuật Chicago) chính là Alba - một chú thỏ bạch tạng có khả năng phát huỳnh quang (Hình 3.1). Chú thỏ này được tạo ra nhờ chuyển gene mã hóa protein huỳnh quang màu lục từ một loài sứa ở vùng Tây Bắc Thái Bình Dương. Bằng cách nào mà các nhà khoa học có thể chuyển gene từ sứa sang thỏ? Việc chuyển gene được thực hiện nhằm mục đích gì?
Lời giải:
- Để chuyển gene từ sứa sang thỏ có thể áp dụng quy trình như tạo động vật biến đổi gene.
- Chuyển gene được thực hiện nhằm tạo các sinh vật biến đổi gene sản xuất các DNA tái tổ hợp hoặc protein tái tổ hợp hoặc các giống sinh vật chuyển gene biểu hiện các đặc tính mong muốn để phục vụ cho đời sống của con người.
I. Công nghệ gene
Hình thành kiến thức mới 1 trang 19 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Việc chuyển gene giữa các loài khác nhau được tiến hành dựa trên cơ sở nào?
Lời giải:
Chuyển gene giữa các loài khác nhau được tiến hành dựa trên cơ sở khoa học là sự biến nạp, khả năng di truyền và biểu hiện của gene chuyển trong tế bào chủ.
Hình thành kiến thức mới 2 trang 20 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Quan sát Hình 3.2, hãy mô tả các bước trong công nghệ gene
Lời giải:
Các bước trong công nghệ gene:
- Bước 1: Tách dòng phân tử (đoạn DNA hoặc gene mong muốn) từ phân tử DNA nhiễm sắc thể của tế bào cho.
- Bước 2: Tạo vector tái tổ hợp bằng cách gene mong muốn được cài vào vector chuyển gene.
- Bước 3: Biến nạp vector tái tổ hợp vào tế bào chủ.
- Bước 4 - Tạo dòng vector tái tổ hợp và thu nhận sản phẩm: Nuôi cấy tế bào chủ chứa DNA tái tổ hợp để nhân dòng gene mong muốn hoặc tạo điều kiện cho gene đã ghép được biểu hiện để thu được protein tái tổ hợp.
II. Cơ sở khoa học của chuyển gene
Hình thành kiến thức mới 3 trang 21 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Vì sao phải sử dụng vector để chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác?
Lời giải:
Việc sử dụng vector để chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác nhằm khắc phục được các khó khăn khi biến nạp trực tiếp đoạn gene cần chuyển vào tế bào như: đảm bảo gene cần chuyển có thể tích hợp vào nhiễm sắc thể của tế bào nhận để có thể tăng số lượng bản sao và được biểu hiện trong tế bào nhận, DNA không bị phân hủy bởi các enzyme trong tế bào nhận.
Hình thành kiến thức mới 4 trang 22 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Quan sát các Hình 3.3 và 3.4, hãy chỉ ra những đặc điểm của các loại vector đảm bảo chúng có thể thực hiện chức năng chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác
Lời giải:
Đặc điểm của các loại vector đảm bảo chúng có thể thực hiện chức năng chuyển gene từ tế bào này sang tế bào khác:
- Có trình tự khởi đầu sao chép (điểm Ori) để có thể nhân lên trong tế bào nhận.
- Có các trình tự nhận biết bởi enzyme cắt giới hạn để cắt mở vòng plasmid và gắn với gene cần chuyển.
- Có các gene chỉ thị (gene đánh dấu - marker genes) để nhận biết được tế bào nhận có chứa DNA tái tổ hợp.
Luyện tập trang 23 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Hiện nay, nhiều loại vector chuyển gene đã được cải biến để nâng cao hiệu quả chuyển gene. Theo em, người ta có thể cải biến những đặc điểm nào của vector?
Lời giải:
Những đặc điểm của vector có thể được cải biến để nâng cao hiệu quả chuyển gene:
- Có chứa các gene làm vô hiệu hoá đoạn DNA không mong muốn bị gắn vào.
- Có thêm trình tự promoter trong vùng điều hòa để sử dụng trong biểu hiện gene tạo protein tái tổ hợp.
- Có thêm các trình tự nucleotide khác cần thiết cho sự biểu hiện của gene (như ribosome binding sites - RBS là vùng liên kết với ribosome để dịch mã).
Hình thành kiến thức mới 5 trang 23 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Quan sát Hình 3.5, hãy mô tả các bước tạo vector tái tổ hợp từ plasmid
Lời giải:
Các bước tạo vector tái tổ hợp từ plasmid:
- Bước 1: Tách gene cần chuyển và cắt mở vòng plasmid bằng enzyme BamHI.
- Bước 2: Gắn gene cần chuyển vào plasmid bằng enzyme ligase để tạo vector tái tổ hợp.
Hình thành kiến thức mới 6 trang 23 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Sau khi chuyển vào tế bào, bằng cách nào có thể phát hiện dòng tế bào mang plasmid tái tổ hợp?
Lời giải:
Có thể phát hiện dòng tế bào mang plasmid tái tổ hợp thông qua:
- Tín hiệu phóng xạ được đánh dấu trên gene cần chuyển.
- Sự biểu hiện của các gene chỉ thị trên plasmid.
Hình thành kiến thức mới 7 trang 24 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Các loại tế bào chủ được sử dụng trong công nghệ gene cần có những đặc điểm gì?
Lời giải:
Các loại tế bào chủ được sử dụng trong công nghệ gene cần có những đặc điểm sau: Dễ nuôi cấy, có tốc độ sinh trưởng nhanh, các quá trình biểu hiện gene (phiên mã và dịch mã) diễn ra đồng thời, có thể thu nhận được nhiều vector chuyển gene, dễ tạo được các dòng đột biến khác nhau.
III. Tạo thực vật chuyển gene
Hình thành kiến thức mới 8 trang 24 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Quan sát Hình 3.6, hãy mô tả các bước tạo thực vật chuyển gene nhờ Ti plasmid
Lời giải:
Các bước tạo thực vật chuyển gene nhờ Ti plasmid:
- Bước 1: Phân lập gene cần chuyển từ tế bào cho.
- Bước 2: Tạo plasmid tái tổ hợp (từ Ti plasmid của vi khuẩn A. tumefaciens) nhờ enzyme cắt giới hạn và enzyme ligase.
- Bước 3: Biến nạp plasmid tái tổ hợp vào tế bào thực vật để tạo tế bào tái tổ hợp. T-DNA chứa gene cần chuyển tích hợp vào nhiễm sắc thể của tế bào mô thực vật.
- Bước 4: Cho tế bào tái tổ hợp tái sinh thành cây biến đổi gene in vitro rồi trồng cây vào môi trường đất.
Hình thành kiến thức mới 9 trang 26 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Quan sát Hình 3.7, hãy cho biết nguyên lí của phương pháp tạo thực vật chuyển gene nhờ súng bắn gene
Lời giải:
Nguyên lí của phương pháp tạo thực vật chuyển gene nhờ súng bắn gene là dùng các hạt vàng (viên đạn) mang vector tái tổ hợp để bắn vào tế bào thực vật, nhờ áp lực cao của luồng khí helium, các hạt xuyên qua thành tế bào và màng sinh chất để đi vào trong nhân tế bào.
Hình thành kiến thức mới 10 trang 26 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Hãy cho biết vai trò của các giống thực vật chuyển gene trong Bảng 3.1. Kể thêm một số thành tựu chuyển gene ở thực vật mà em biết.
Lời giải:
|
Loài thực vật |
Thành tựu chuyển gene |
Vai trò |
|
Bông |
Chuyển các gene kháng côn trùng thuộc nhóm cry, cyt từ vi khuẩn B. thuringiensis vào cây bông. |
Tạo giống cây bông có khả năng kháng được côn trùng (có cơ quan miệng kiểu nghiền) gây hại. |
|
Lúa |
Chuyển gene Xa21, Xa7 kháng bệnh bạc lá (do vi khuẩn gây ra) từ các dòng lúa IR vào giống lúa X. oryzae. |
Tạo giống lúa có khả năng kháng bệnh bạc lá do vi khuẩn. |
|
Đu đủ |
Chuyển gene CP hoặc NiB của PRSV (papaya ringspot virus, một loại virus gây bệnh đốm vòng) vào đu đủ. |
Tạo giống đu đủ có khả năng kháng bệnh đốm vòng do virus. |
|
Thuốc lá, khoai tây, gừng |
Chuyển gene mã hóa lysozyme kháng vi khuẩn E. carotovora từ tế bào động vật hoặc phage T4 vào cây trồng. |
Tạo các giống cây trồng biểu hiện hoạt tính lysozyme mạnh và có khả năng phòng trừ vi khuẩn E. carotovora. |
|
Đậu tương, ngô |
Chuyển gene mã hóa cho các protein giàu các amino acid không thay thế (lysine, methionine, threonine và tryptophan) vào đậu tương, ngô. |
Tạo các giống cây đậu tương, ngô có khả năng tổng hợp các loại amino acid không thay thế, dùng làm thức ăn cho người và gia súc. |
|
Mù tạt Ấn Độ |
Chuyển gene mã hoá enzyme "đói" selenium vào cây mù tạt. |
Tạo giống cây mù tạt có khả năng loại bỏ selenium để hạn chế ô nhiễm môi trường đất. |
|
Sâm đất |
Chuyển gene mã hoá enzyme xúc tác quá trình tổng hợp nhóm chất flavonoid (GmCHI1A) từ đậu tương vào sâm đất. |
Tạo giống cây sâm đất chuyển gene có khả năng tổng hợp flavonoid, chất này có đặc tính oxi hóa mạnh được ứng dụng trong điều trị các bệnh như viêm, dị ứng, loét dạ dày,... |
|
Sâm Ngọc Linh, dừa cạn, ô dầu, sâm đất |
Chuyển các gene trên đoạn T-DNA từ vi khuẩn R. rhizogenes kích thích cảm ứng tạo rễ tơ ở một số giống cây dược liệu. |
Tạo các giống cây dược liệu chuyển gene với mục đích thu sinh khối và chất chuyển hóa thứ cấp, ứng dụng trong y học. |
IV. Tạo động vật chuyển gene
Hình thành kiến thức mới 11 trang 28 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Quan sát Hình 3.8, hãy mô tả quá trình tạo chuột chuyển gene bằng vector virus. Từ đó, hãy cho biết phương pháp này có ưu điểm và hạn chế gì.
Lời giải:
- Quá trình tạo chuột chuyển gene bằng vector virus:
+ Bước 1: Thu nhận phôi ở giai đoạn tám tế bào.
+ Bước 2: Lây nhiễm virus (đã loại bỏ gene gây bệnh) mang gene cần chuyển vào phôi.
+ Bước 3: Cấy phôi đã chuyển gene vào tử cung của chuột cái mang thai hộ.
+ Bước 4: Chuột cái mang thai hộ sinh sản cho ra các chuột con chuyển gene.
- Ưu điểm: Có hiệu quả chuyển gene vào tế bào nhận vì mỗi loại virus chỉ lây nhiễm vào một số tế bào nhất định.
- Nhược điểm: Virus chỉ mang được các gene có kích thước nhỏ, sinh vật chuyển gene có nguy cơ bị nhiễm virus làm giảm chất lượng sản phẩm
Hình thành kiến thức mới 12 trang 28 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Quan sát Hình 3.9, hãy mô tả quá trình tạo chuột chuyển gene bằng vi tiêm.
Lời giải:
Quá trình tạo chuột chuyển gene bằng vi tiêm:
- Bước 1: Cho chuột giao phối và lấy trứng đã thụ tinh (trứng còn ở giai đoạn nhân non).
- Bước 2: Gene cần chuyển được tiêm vào hợp tử ở giai đoạn nhân non bằng vi tiêm (có thể chuyển vào nhân của trứng hoặc nhân của tinh trùng). Hợp tử được nuôi cấy cho phát triển thành phôi chuyển gene.
- Bước 3: Phôi chứa gene chuyển được cấy vào tử cung của chuột cái mang thai hộ.
- Bước 4: Kiểm tra sự có mặt của gene cần chuyển ở thế hệ sau bằng lai phân tử hoặc PCR.
Hình thành kiến thức mới 13 trang 29 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Hãy cho biết vai trò của các giống động vật chuyển gene trong Bảng 3.2. Kể thêm một số thành tựu chuyển gene ở động vật mà em biết.
Lời giải:
- Vai trò của các giống động vật chuyển gene trong Bảng 3.2:
|
Loài động vật |
Thành tựu chuyển gene |
Vai trò |
|
Chuột nhắt |
Chuyển gene mã hoá hormone sinh trưởng từ chuột cống vào chuột nhắt. |
Tạo giống chuột chuyển gene làm mô hình nghiên cứu và điều trị các bệnh ở người như ung thư, bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, tiểu đường,... |
|
Cừu |
Chuyển gene cys E và cys K (quy định tổng hợp cysteine) được phân lập từ vi khuẩn E. coli và S. typhimurium vào cơ thể cừu. |
Tạo giống cừu chuyển gene tăng khả năng sản sinh cysteine (một loại amino acid có vai trò quan trọng trong quá trình tạo lông), nhờ đó tăng năng suất tạo lông ở cừu. |
|
Bò |
Chuyển gene sản xuất protein a-lactalbumin của người vào bò. |
Tạo giống bò chuyển gene sản xuất sữa có chứa a-lactalbumin ở người hỗ trợ cho hoạt động tiêu hóa ở trẻ, tăng cường sức khoẻ hệ miễn dịch. |
|
Lợn |
Chuyển gene mMT-hGH sản xuất hormone tăng trưởng, mMT-hiGF1 mã hoá hormone insulin ở người vào lợn. |
Tạo giống lợn chuyển gene siêu nạc có tỉ lệ tăng trưởng cao; lợn có khả năng sản xuất hormone insulin ở người. |
|
Cá |
Chuyển gene chống lạnh AFP từ các loài cá ở vùng lạnh (như cá bơn Alaska) vào cá vàng, cá hồi. |
Tạo giống cá có khả năng chịu được môi trường có nhiệt độ thấp, thuận lợi cho việc nuôi trồng thủy sản. |
|
Dê |
Chuyển gene antithrombin III mã hóa protein AT IlI ở người vào dê. |
Tạo giống dê chuyển gene có khả năng sản xuất protein AT III có tác dụng chống đông máu, phục vụ cho y học trong các cuộc phẫu thuật. |
|
Gà |
Chuyển gene mã hoá enzyme B-lactamase từ vi khuẩn K. pneumoniae hoặc E. coli; gene mã hoá hormone sinh trưởng ở người vào phôi gà. |
Tạo giống gà chuyển gene có thể sản xuất enzyme B-lactamase từ trứng phục vụ cho nghiên cứu sản xuất kháng sinh, vaccine; sản xuất hormone sinh trưởng trong trứng để điều trị bệnh lùn.
|
- Một số thành tựu chuyển gene ở động vật khác:
+ Cá vằn GloFish™ là dòng cá chuyển gene mã hóa protein phát huỳnh quang xanh (GFP) hoặc đỏ (RFP) hoặc vàng (YFP) nằm ở vị trí kế tiếp trình tự điều hòa khởi động phiên mã của gene đích. Cá vằn chuyển gene này được sử dụng để phát hiện môi trường nước bị ô nhiễm do phát huỳnh quang ở cá xảy ra khi môi trường nước có nồng độ các chất gây ô nhiễm ở mức cao, giúp cảnh bảo nước bị ô nhiễm.
+ Chuột chuyển gene nhằm mục đích xóa gene nghiên cứu, từ đó có thể xác định được chức năng của gene: Sau khi vector tái tổ hợp được chuyển vào tế bào gốc phôi chuột, bằng cơ chế tái tổ hợp tương đồng giữa trình tự DNA ở vector chuyển gene và nhiễm sắc thể của chuột, gene đích sẽ bị xóa hoặc bất hoạt (tạo chuột knock-out gene).
+ Tạo cừu chuyển gene nhằm mục tiêu xóa bỏ một số vùng quan trọng ở gene GGTA1 (mã hoá enzyme α-( 1,3)-galactosyl transferase - gene liên quan đến đào thải cấp tính của mô ghép trong cấy ghép tạng), xoá gene mã hoá prion protein (PrP) liên quan đến bệnh não xốp ở người và động vật.
+ Cừu chuyển gene "Tracy" sản xuất α1-antitrypsin (chất ức chế protease ở người) trong sữa dùng để điều trị bệnh khí phế thũng và có thể làm giảm triệu chứng của bệnh xơ nang.
Luyện tập trang 29 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
Tại sao việc chuyển gene vào cơ thể động vật là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học?
Lời giải:
Việc chuyển gene vào cơ thể động vật là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học vì:
- Việc chuyển gene vào cơ thể động vật rất phức tạp như kĩ thuật thu nhận và chuyển phôi trở lại vào cơ thể động vật, chuyển gene vào tế bào, điều kiện nuôi cấy tế bào chuyển gene phức tạp,...
- Có thể gây ra các tác dụng phụ như: giảm khả năng thụ tinh của giao tử, ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóá ở động vật,...
- Sự kiểm soát của luật pháp đối với các giá trị của động vật chuyển gene rất chặt chẽ. Động vật chuyển gene trước khi được sử dụng làm sản phẩm thương mại cần được kiểm tra về độ an toàn theo một quy trình nghiêm ngặt.
- Động vật chuyển gene là một trong những nguyên nhân gây mất cân bằng sinh thái nếu chúng bị phát tán và giao phối với các động vật trong môi trường tự nhiên
Vận dụng trang 30 Chuyên đề Sinh 12 Chân trời
• Thu thập thông tin về ứng dụng công nghệ gene hiện nay và đánh giá triển vọng công nghệ gene trong tương lai.
• Dựa vào các nguyên lí của công nghệ gene, hãy thiết kế một quy trình để tạo giống thực vật hoặc động vật chuyển gene mang một đặc tính có lợi. Phân tích giá trị của sản phẩm đó đối với đời sống con người.
Lời giải:
• Thông tin về ứng dụng công nghệ gene hiện nay và đánh giá triển vọng công nghệ gene trong tương lai:
- Đến nay, công nghệ gene đã được áp dụng để tạo các giống cây trống GMO mang các đặc tính ưu việt đa dạng khác nhau như:
+ Cây trồng chống chịu các điều kiện bắt lợi của môi trường (chịu hạn, chịu lạnh, chịu mặn, chịu nhiệt).
+ Giảm sử dụng thuốc trừ sâu hóa học (cây trồng kháng sâu).
+ Giảm chi phí sau thu hoạch (gene chín chậm, gene kháng mọt).
+ Tăng hiệu quả hấp thụ khoáng của cây (hạn chế gây xói mòn đất và bón phân).
+ Tăng giá trị dinh dưỡng của cây trồng (ví dụ: giống lúa vàng mang gene quy định β-carotene là tiền chất của vitamin A).
+ Ngoài các ứng dụng trên, cây trồng GMO còn được sử dụng tạo ra nguyên liệu trong công nghiệp như một số dạng tinh bột dùng làm tá dược hay để sản xuất xăng sinh học.
- Chuyển gene ở các tế bào động vật và người nhằm hai mục đích chính: (1) Tạo ra các tế bào có gene được chỉnh sửa như thay thế gene bệnh bằng gene lành, làm bất hoạt hay hoạt hóa gene rồi đưa trở lại cơ thể như trong liệu pháp gene chữa bệnh di truyền và (2) tạo ra sinh vật chuyển gene hay sinh vật biến đổi gene có các đặc tính mong muốn để nghiên cứu hoặc ứng dụng trong thực tế (xác định chức năng gene, nghiên cứu bệnh học, sản xuất chế phẩm hoặc thuốc sinh học, mô hình thử nghiệm thuốc và vaccine,…).
→ Triển vọng công nghệ gene trong tương lai (trên thế giới và tại Việt Nam): Công nghệ gene có triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, mang lại nhiều lợi ích to lớn cho con người.
• Thiết kế một quy trình để tạo giống thực vật hoặc động vật chuyển gene mang một đặc tính có lợi:
- Quy trình tạo cây trồng biến đổi gene sản xuất vaccine ăn được:
- Phân tích giá trị của vaccine ăn được đối với đời sống con người: Vaccine ăn được là vaccine được tạo ra bằng cách đưa gene mong muốn vào cây trồng để sản xuất protein được mã hóa. Sau khi ăn các thực phẩm được chuyển gene này, hệ thống miễn dịch của cơ thể sẽ được kích thích nhằm sinh kháng thể. Ưu điểm nổi bật của loại vaccine ăn được là đưa vào cơ thể qua đường miệng và đặc tính ổn định nhiệt nên khắc phục được những mặt hạn chế về chi phí sản xuất, bảo quản, giá thành cao và đòi hỏi phải có nhân viên y tế để tiêm phòng của vaccine truyền thống. Bởi vậy, vaccine ăn được là sự lựa chọn để có thể phổ biến vaccine cho các nước đang phát triển và các nước nghèo.
