TẾ BÀO – ĐỐI TƯỢNG TRUNG TÂM CỦA THẾ KỈ SINH HỌC

Chia sẻ: Huỳnh Hữu Việt | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

124
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đến 2005, tròn 350 năm kể từ những quan sát tế bào đầu tiên cuả Robert Hooke năm 1655 và nhân loại đang sống giữa thập niên đầu tiên của thế kỉ 21 – thế kỉ Công nghệ sinh học, cụm từ không còn chỉ về tương lai như cách nay nhiều thập niên mà khẳng định một hiện thực.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: TẾ BÀO – ĐỐI TƯỢNG TRUNG TÂM CỦA THẾ KỈ SINH HỌC

CHƯƠNG I TẾ BÀO – ĐỐI TƯỢNG TRUNG TÂM CỦA THẾ KỈ SINH HỌC Đến 2005, tròn 350 năm kể từ những quan sát tế bào đầu tiên cuả Robert Hooke năm 1655 và nhân loại đang sống giữa thập niên đầu tiên của thế kỉ 21 – thế kỉ Công nghệ sinh học, cụm từ không còn chỉ về tương lai như cách nay nhiều thập niên mà khẳng định một hiện thực. Ba phát minh sinh học nền tảng trong thế kỉ XIX làm những tiền đề căn bản cho sinh học thực nghiệm thế kỉ 20 : học thuyết tế bào (1838), học thuyết tiến hóa (1859) và học thuyết về gen (1865). Suốt thế kỉ XX, các nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề gen dẫn đến Thời đại gen, mà đỉnh cao là việc hoàn tất Bộ gen người vào năm 2003 và mở ra Thời đại sau Bộ gen (Post-Genomics Era). Theo đà phát triển chung, Sinh học thế kỉ XXI sẽ tiến lên các cấp độ tổ chức cao hơn là Sinh học của các hệ thống và tế bào. Như vậy, đối tượng trọng tâm của thế kỉ XXI sẽ là tế bào mà hoạt động của nó càng nghiên cứu càng thấy hết sức phức t ạp. Sinh học tế bào (Biology of the Cell) là môn sinh học nghiên cứu về cấu trúc và các hoạt động sống của tế bào sẽ giữ vai trò trung tâm trong nghiên cứu sự sống. ngày càng quan trọng hơn. I. TẾ BÀO LÀ SÁNG TẠO CÓ GIÁ TRỊ NHẤT CỦA SỰ TIẾN HOÁ Trên thực tế, tất cả các sinh vật, kể cả con người đều có cấu tạo tế bào và là sản phẩm của sự tiến hóa từ tế bào đầu tiên. Tư duy của bộ não người cũng là sản phẩm của 10 tỉ tế bào thần kinh. Không nghi ngờ gì nữa, tế bào là một sáng tạo có giá trị nhất của sự tiến hoá. Tuy nhiên, việc nghiên cứu tế bào chưa được chú ý đúng mức và đúng tầm quan trọng vốn có của nó. 1. Sự sống bắt đầu từ tế bào a. Tế bào nguyên thủy đầu tiên (LUCA) Theo giả thuyết mới nhất, sự sống xuất hiện cách nay 3,8 tỉ năm. Tuy có nhiều ý kiến khác nhau về nguồn gốc sự sống, nhưng có một điều chắc chắn là sự sống bắt đ ầu từ một tế bào nguyên thủy đầu tiên, được gọi theo tiếng Anh là LUCA (the Last Universal Cellular Ancester). Trừ các virus, tất cả các sinh vật đều có cấu tạo tế bào. Ơ mức vi mo, tức tế bào và phân tử, biểu hiện của sự sống tất cả các sinh vật về căn bản giống nhau. Càng đi sâu nghiên cứu sinh học phân tử, càng có thêm nhiều chứng cứ về nguồn gốc chung của thế giới sinh vật. Sự thống nhất của sinh giới thể hiện ở cấu trúc tế bào. b. Con người bắt đầu từ một tế bào Bất kì sinh vật nào, dù đơn bào hay đa bào, đều bắt nguồn từ một tế bào ban đ ầu. Con người cũng không phải là một ngoại lệ. Mỗi người đều bắt đầu từ một hợp tử tạo nên từ tế bào trứng của mẹ được thụ tinh bởi tinh trùng của cha (hình 1.1). . 1
Một tế bào hợp tử của người chứa 6.10 –12 g (6 phần nghìn tỉ gam) DNA là phân tử chât di truyền. Thật khó hình dung một khối vật chất nhỏ như vậy lại chứa nổi một lượng thông tin cực lớn : từ tế bào hợp tử trãi qua quá trình phân chia tạo nên cơ thể con người (khoảng 1014 tức trăm nghìn tỉ tế bào) có trí tuệ sáng tạo, mà cuộc sống có thể kéo dài thậm chí cá biệt đến hơn trăm tuổi. Hình 1.1. Tế bào trứng của người (~ 200 micrômét) với các tinh trùng bao quanh 2. Sự đa dạng sinh giới là sản phẩm từ sự tiến hóa của tế bào Cho đến nay, các nhà khoa học biết được khoảng 2 triệu loài sinh vật sống trên hành tinh chúng ta. Về mặt sinh học con người chỉ là một loài trong khối đa dạng muôn màu sắc đó. Sự đa dạng của sự sống biểu hiện ở hai mặt : đa dạng các loài và hệ thống thứ bậc từ thấp lên cao của nhiều mức tổ chức khác nhau (Tế bào, cơ thể, quần thể, loài, quần xã (community), hệ sinh môi (ecosystems), sinh quyển). a. Cây phát sinh chủng loài Từ tế bào nguyên thủy đầu tiên, trãi qua quá trình phát triển tiến hóa dưới tác động khốc liệt của chọn lọc tự nhiên đã hình thành các sinh vật ngày nay như mô t ả ở cây tiến hóa (hình 1.2). Tuy có sự đa dạng khổng lồ như trên, nhưng truy tận gốc về cấu trúc chỉ có 3 loại tế bào đại diện cho 3 siêu giới : tế bào Eubacteria, tế bào Archaea và tế bào Eukaryota. Khó hình dung được khả năng biến hóa khôn lường của tế bào trong tiến hóa vĩ mô dẫn đến các sinh vật trên hành tinh chúng ta. b. Sự đa dạng các loại tế bào ngay trong từng cơ thể đa bào Trong cơ thể đa bào, quá trình phát triển cá thể từ tế bào ban đầu đã tạo nên nhiều loại tế bào, các mô và cơ quan khác nhau. Ngay một tế bào đơn cũng có thể có giới tính như tinh trùng và tế bào trứng. Ở người, tế bào hợp tử ban đầu tạo ra hơn 200 loại tế bào khác nhau tạo nên các mô và các cơ quan như tim phổi thận gan,…. Quá trình này được thực hiện hài hòa chính xác theo không gian và thời gian. Đến một lúc nào đó, mà chúng ta hy vọng ngay trong thế kỉ 21 này, con người sẽ hiểu rõ các cơ chế c ủa sự phát triển từ tế bào tạo ra các cơ quan thì có thể nuôi tế bào để t ạo ra các cơ quan như tim, thận,… để phục vụ cho Y học phục hồi (Regenerative Medecine) như thaythế cơ quan. Liệu pháp tế bào đang ở những bước đầu của xu hướng đó và hứa hẹn nhiều thành tựu mới. 2
Hình 1.2. Cây tiến hóa mô tả 3 siêu giới (Eubacteria, Archaea, Eukaryota ) từ tế bào ban đầu c. Sự đa dạng của tế bào do sự cải biến của con người Trong thực tiễn sản xuất, con người đã tiến hành chọn giống để tạo ra những dòng tế bào mới có năng xuất vươt trội. Phần lớn các qui trình sản xuất của Công nghệ sinh học sử dụng các tế bào cải biến. Các thành tưu trong chọn giống vi sinh vật trong công nghiệp lên men minh họa rõ sự biến đổi khác thường phục vụ lợi ích con người. Thường trong môi trường nuôi, sinh khối khô của tế bào đạt tối đa khoảng 20 g/l. Nhưng các chủng đột biến sản sinh các chất đặc biệt với số lượng cao gấp nhiều lần trọng lượng khô của tế bào hoặc nhu cầu của tế bào như : – Chủng Penicillium chrysogenum hiện nay đạt 60g/l môi trường, cao gấp 3 lần sinh khối. – Chủng Corynebacterium glutamicum tạo glutamic acid đạt 200g/l, cao hơn gấp 10 lần. – Chủng Ashbya gosspii sinh ra riboflavin (vitamin B2) hơn 20 g/l gấp 40.000 lần nhu cầu của nó. – Chủng Pseudomonas denitrificans sinh ra vitamin B12 gấp 100.000 lần nhu cầu của nó. Tóm lại, thế giới sinh vật bắt nguồn từ tế bào, sự đa dạng nhưng thống nhất ở cấu tạo tế bào và tế bào có tiềm năng lớn cho con người cải biến và điều khiển phục vụ cho mình. Tiềm năng to lớn của tế bào trong biến đổi tiến hóa và chịu sự cải biến của con người chưa thấy giới hạn. 3. Tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống Sinh giới có nhiều mức độ tổ chức khác nhau, nhưng tế bào là cấu trúc nhỏ nhất có biểu hiện đầy đủ các tính chất của sự sống : – Trao đổi chất và biến đổi năng lượng : Toàn bộ các hoạt động hóa học của cơ thể sinh vật được gọi là sự trao đổi chất (metabolism) : phân hủy các chất dinh dưỡng cung cấp năng lượng và vật liệu cho sinh tổng hợp và cho các quá trình sống khác nhau. – Tăng trưởng và phân bào : Sự tăng trưởng (growth) là tăng khối lượng chất sống của mỗi cơ thể sinh vật, gồm sự tăng kích thước của từng tế bào và tăng số lượng tế bào cơ thể. “Sinh vật sinh ra sinh vật” và “tế bào sinh ra tế bào” nhờ cơ chế phân bào. 3
Chu trình tế bào được kiểm soát chặt chẻ và hoạt động hài hòa. Có hai kiểu sinh sản: vô tính và hữu tính. – Thu nhận và gởi tín hiệu thông tin : Trên màng tế bào, các thụ thể (recepteurs) gắn với phân tử thông tin và có phản ứng đáp lại. Ngoài ra, các tế bào tiết những chất hóa học ra ngoài, đi đến các tế bào tiêu điểm thành những tín hiệu tác động lên màng. – Điều hòa sự biểu hiện gen đáp lại tác động từ môi trường bên trong và bên ngoài tế bào. – Sự chết theo chương trình của tế bào : Song song với quá trình tăng số lượng tế bào, các sinh vật đa bào còn có những cơ chế phức tạp kiểm soát sự chết của tế bào theo chu trình phát triển. II. THỜI ĐẠI GEN VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SINH HỌC TẾ BÀO 1. Thế kỉ 20 với Thời đại gen Sinh học thế kỉ XX đã phát triển với tốc độ ngày càng nhanh : − Đầu thế kỉ XX, khái niệm gen được xác lập ; và năm 1910 – 1920, T.H. Morgan nêu ra Thuyết di truyền nhiễm sắc thể, và Di truyền học gắn chặt với tế bào học. − Giữa thế kỉ XX (năm 1953), mô hình cấu trúc phân tử DNA của Watson-Crick ra đời, đặt nền móng cho sự phát triển của Sinh học phân tử. Sau phát minh này, giới khoa học đã tiên đoán thế ki XXI là thế ki sinh học và sự phát triển vượt bậc của sinh học ở nửa cuối thế kỉ XX đã biến dự báo thành hiện thực. − Năm 1972 – 1973, ki thuật di truyền ra đời làm bùng nổ cách mạng Công nghệ sinh học (CNSH). Sinh học thế kỉ XX tiến bộ trên tất cả các lĩnh vực với tốc độ chưa từng thấy thể hiện ở cả mọi mặt : về phát triển lực lượng, chiều rộng, chiều sâu, tốc độ và tầm ảnh hưởng. Đơn cử ví dụ về tốc độ : Phát triển nhanh chưa từng thấy như thời gian cần để giải kí tự chuỗi chính xác từng nucleotide của Bộ gen người tiến triển như sau : vào năm 1980, phải cần 1.000 năm; vào năm 1990 chỉ cần 100 năm; năm 2000 chỉ trong 1 năm. Cuối thế kỉ XX, các cụm từ Cách mạng di truyền, Thời đại gen đã trở nên phổ biến. Cùng hòa nhịp với sự phát triển chung của các khoa học về sự sống, Sinh học tế bào đã có những thành tựu đáng kể. Trong 3 thập niên cuối, nhiều công trình nghiên c ứu đã tìm ra các cơ chế phân tử là cơ sở cho các chức năng lớn cuả tế bào : chu trình tế bào cell cycle), sao chép (replication), tái tổ hợp (recombination) và sửa sai DNA (reparation). Đặc biệt là những phát hiện mới trong thập niên cuối thế kỉ XX : – Tìm ra các cơ chế kiểm soát việc khởi sự sao chép DNA. – Mô tả mối liên hệ giữa cấu trúc chromatin với điều hoà phiên mã thông qua acetyl hoá (acetylation) histone. – Hiểu rõ các con đường di chuyển của protein (protein trafficking), bao gồm : ra vào nhân tế bào, xâm nhập lưới nội chất và chuyển đến bộ Golgi, cơ chế phân tử của vận chuyển nhờ túi bọt (vescicular transport), và các cơ chế protein xâm nhập vào ti thể và lục lạp. – Những lĩnh vực gây ấn tượng mạnh như tín hiệu tế bào (cell signaling) và điều hoà chu trình tế bào (cell cycle regulation) đã phát triển nhanh và tiếp tục tiến triển trong thế kỉ 21. 4
– Đặc biệt những tiến bộ nhanh đạt được trong hiểu biết về điều hoà sự chết theo chương trình của tế bào (apoptosis) và các con đường tín hiệu chi phối số phận của tế bào trong quá trình phát triển phôi. Những tiến bộ khoa học đó sẽ gắn liền với nhiều ứng dụng to lớn trong y dược học, nông lâm ngư nghiệp và bảo vệ môi sinh như việc ứng dụng tế bào gốc thay thế mô hay cơ quan bị sai hỏng chức năng và điều chế nhiều loại thuốc mới cho Y học cá thể hoá (individualized medecine). Các phát minh tế bào học gây chấn động cuối thế kỉ 20 : – Tháng 2/1997, Wilmut công bố Nhân bản vô tính động vật (Animal cloning) tạo cừu Dolly (hình 1.3), mở ra triển vọng to lớn trong nhân giống nhiều loài đ ộng vật từ nhân tế bào soma (tế bào sinh dưỡng), kể cả nhân bản người. – Thành tựu mới nổi bật trong năm 1998 là phát hiện về Tế bào gốc soma (Somatic stem cell), các tế bào vẫn giữ nguyên khả năng sinh sản vô hạn và có thể phát triển thành nhiều loại tế bào chuyên biệt khác nhau Đặc biệt, nhân bản vô tính động vật bằng nhân tế bào gốc sẽ dễ thực hiện hơn rất nhiều. Việc nhân bản người đã thành hiện thực. Những kết quả ban đầu về chuyển nhân tế bào để nhân bản vô tính động vật và các ứng dụng tế bào gốc đã gây chấn động dư luận. Những hiểu biết sâu sắc và chi tiết hơn về tế bào sẽ hứa hẹn những ứng dụng thần kì. Hình 1.3. Cừu Dolly trắng và mẹ đẻ đầu đen giống Blackface Nhìn lại quá trình phát triển lịch sử của Sinh học, Học thuyết tế bào ra đời trước hơn cả vài trăm năm, nhưng sự hiểu biết chi tiết về hoạt động sống của nó, đ ặc biệt ở cấp độ phân tử, tiến rất chậm. Sự phát triển của Sinh học phân tử cho thấy hoạt động của nó càng nghiên cứu càng thấy hết sức phức tạp. Điều đó đặt ra nhiệm vụ nặng nề hơn cho Sinh học thế kỉ XXI. 2. Bộ gen người Nhờ những thành tựu mới của kỹ thuật di truyền, đầu năm 1990, Dự án bộ gen người bắt đầu với kinh phí 3 tỉ USD (riêng phần của Hoa Kì) trong 15 năm và dự kiến sẽ kết thúc vào 2005. 5
Ngày 14/4/2003, Dự án bộ gen người (thường gọi ngắn Bộ gen người) hoàn thành việc giải kí tự chuỗi của 3,2 tỉ cặp base của DNA người và tuyên bố kết thúc sớm 2 năm ở Hội nghị khoa học của NIH (National Institutes of Health) kỉ niệm 50 năm chuỗi xoắn kép DNA (hình 1.4). Theo đánh giá của các nhà khoa học : “Đây là ngày chúng ta hoàn tất lần xuất bản đầu tiên Cuốn sách của sự sống (the Book of Life).” hay “Trong nhiều thế kỉ tới, ngày hôm nay sẽ được nhớ đến như một cột mốc lịch sử”. Bộ gen người là một cột mốc lịch sử, nó kết tinh những thành tựu rực rở nhất của Sinh học thế kỉ 20 và mở ra tiền đồ vô cùng rộng lớn cho thế kỉ 21 – thế kỉ Công nghệ sinh học. Nguồn trí thức đầy ý nghĩa từ bộ gen người sẽ xác định các nghiên cứu trong nhiều thập niên tới, giúp hiểu được các hệ thống sinh học của bản thân con người. Một trong những đóng góp vĩ đại nhất sẽ là xây dựng lối tiếp cận hoàn toàn mới : nghiên cứu đồng bộ tất cả các gen của Bộ gen. Hình 1.4. Biểu tượng về Bộ gen người Theo các nhà khoa học, Dự án bộ gen người không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học, mà còn có tác động về nhiều mặt khác như chính trị, kinh tế và cả quốc phòng (vũ khí sinh học, khủng bố sinh học),… Nhiều ngành khoa học công nghệ mới hình thành : – Genomics (khoa học về bộ gen (genome - bộ gen) hay bộ gen học giúp xác định nhanh chóng trình tự nucleotide (hay giải kí tự chuỗi) của DNA bộ gen và các chức năng của chúng. – Proteomics (khoa học về bộ protein) nghiên cứu toàn bộ các phức hợp của protein gồm : cấu hình (conformation), vị trí, các biến đổi, các tương tác và chức năng. Nếu như Genomics giúp cho chẩn đoán sớm thì việc ngăn ngừa và chữa trị bệnh sẽ nhờ các kết quả của Proteomics. – Pharmacogenomics (Bộ gen dược học) là sự kết hợp giữa dược học với genomics nhằm nghiên cứu về gen, sự điều hoà và đóng góp của chúng vào sự phát triển của bệnh tật đối ở mỗi cá thể riêng biệt. Các chuyên ngành này sẽ cung cấp nhiều cách tiếp cận mới để phát hiện, bảo tồn và sử dụng nguồn đa dạng sinh học của hành tinh chúng ta. Nguồn trí thức đầy ý nghĩa từ bộ gen người sẽ xác định các nghiên cứu trong nhiều thập niên tới, giúp hiểu được các hệ thống sinh học của bản thân con người chúng ta. Nhiệm vụ khổng lồ này sẽ đòi hỏi tài năng chuyên môn và sự sáng tạo của hàng chục ngàn các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới. Một trong những đóng góp vĩ đại nhất sẽ là xây dựng lối tiếp cận hoàn toàn mới trong nghiên cứu sinh học là nghiên cứu đồng bộ tất cả các gen của bộ gen . Ví dụ, nghiên cứu tất cả các bản phiên mã trong một mô hay cơ quan đặc hoặc khối u, hay có thể nghiên cứu hàng chục ngàn gen và protein hoạt động đồng thời trong những mạng tương tác với nhau để điều khiển các quá trình sinh hoá của sự sống. Chưa bao giờ con người hiểu biết sâu sắc về bản thân mình và có nhiều công nghệ mới để cải biến toàn diện chất lượng cuộc sống của mình như trong thời đại gen. 6
3. Thời đại sau Bộ gen Phải mất 13 năm, 2,7 tỉ USD và hơn 1.100 các nhà sinh học, tin học và kĩ thuật viên làm việc ở 6 nước để giải kí tự chuỗi 3,2 Gigabase (tỉ base) bộ gen người. Tuy nhiên, việc hoàn tất bộ gen người chỉ mới chạm đến phần nổi của tảng băng, mà theo đánh giá có khoảng 30.000 gen. Một kết quả hết sức bất ngờ là khi giải xong bộ gen người thấy số loại protein lớn hơn số gen gấp nhiều lần mà nguyên nhân là do ráp nối các phần của gen gián đoạn (splicing) theo nhiều kiểu khác nhau và các biến đổi protein sau dịch mã. Chính điều này dẫn đến khủng hoảng trong định nghĩa về gen ở thời điểm hiện tại, khi mà quan niệm truyền thống cho đến cuối thế kỉ XX là một gen – một protein. Số protein cần xác định có thể là 8 triệu hoặc nhiều hơn. Cấu trúc Bộ gen người rất phức tạp, mà gần 50% các gen chưa biết chức năng. Nói chung, sự đa dạng các dữ liệu là một thách thức lớn. Một trong những nhiệm vụ hàng đầu của Bioinformatics là so sánh các dữ liệu kí tự chuỗi để tìm các đoạn tương đồng và có chức năng chuyên biệt. Vấn đề trung tâm là sự biểu hiện gen. Thời đại sau bộ gen (Post−Genomics Era) đã bắt đầu với các xu hướng chủ yếu : – Sử dụng các công cụ và công nghệ để khai thác bộ gen người . Nghiên cứu Genomics cấu trúc (Structural genomics) để tiến tới hiểu Genomics chức năng (Functional genomics). Dựa vào Genomics để nghiên cứu Proteomics. Tiếp tục phát hiện gen dựa trên bản đồ (Map-based gene discovery) để đi đến phát hiện gen dựa trên trình tự base (Sequence-based gene discovery). Từ các rối loạn đơn gen (Monogenic disorders) tìm hiểu các rối loạn đa gen (Multifactorial disorders). – Sinh học phát triển ở mức cao hơn như Sinh học các hệ thống (the Systems Biology) và Sinh học tế bào. Từ phân tích một gen tiến tới phân tích nhiều gen trong các họ gen hay các con đường trao đổi chất. Xác định các tương tác của nhiều gen và sự điều hòa biểu hiện gen trong tế bào. – Sự phát triển hàng loạt các công nghệ then chốt (key tehnologies) mới do sự tích hợp và chuyên hóa khoa học như Tin−sinh học (Bioinformatics), Biochip và microarrays, Công nghệ sinh học nano (Nanobiotechnology),… Bộ gen người đánh dấu đỉnh cao của Sinh học thế kỉ XX, đồng thời nó mở ra những chân trời mới trong nghiên cứu sự sống ở cấp độ phức tạp hơn. Đó là sự tương tác giữa những phân tử của các hệ thống và sự tích hợp trong vận hành các hệ thống của từng tế bào theo chương trình phát triển của từng cá thể. Sinh học thế kỉ XXI bước vào thời đại sau bộ gen (post-genomics era) với những lối tiếp cận hoàn toàn mới cho Sinh học tế bào. III. MÔI QUAN HỆ VỚI CÁC NGÀNH KHOA HỌC KHÁC Sinh học tế bào môn cơ bản của sinh học, nó có quan hệ với nhiều ngành khoa học tự nhiên và xã hội khác, đồng thời góp phần rất lớn cho hoạt động thực tiễn c ủa xã hội loài người. 1. Mối quan hệ với các ngành sinh học Sinh giới có nhiều mức độ tổ chức khác nhau. Tế bào là cấu trúc nhỏ nhất có biểu hiện đầy đủ các tính chất của sự sống, nên việc nghiên cứu nó giúp hiểu ngay tận gốc các 7
cơ nguyên sống của toàn bộ sinh giới. Tế bào quan trọng đối với sinh học như phân tử đối với hóa học. Các sinh vật có cấu trúc hóa học rất phức tạp từ những chất đơn giản đến các đại phân tử sinh học. Tuy nhiên, chỉ các chất hóa học phức tạp chưa đủ để có hoạt đ ộng sống, chúng phải được tổ chức lại trong các phức hệ phân tử của nhiều bào quan với những chức năng chuyên biệt khác nhau để hình thành tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống. Các đặc tính của sự sống chỉ biểu hiện thống nhất, đồng bộ, hài hòa, đầy đủ ở mức tế bào và cao hơn. Việc hiểu rõ cấu trúc của tế bào là cơ sở để nắm vững các kiến thức của bất kì lĩnh vực nào của các khoa học về sự sống. Các thành tự của Sinh học tế bào góp phần tích cực cho sự phát triển của tất cả các lĩnh vực của Sinh học. Ngược lại, các tiến bộ của các bộ môn Sinh học làm cho Sinh học tế bào phongphú và chi tiết hơn. Ví dụ, kĩ thuật di truyền đã tạo nên cuộc cách mạng nhỏ (mini-revolution) trong nghiên cứu về màng tế bào, tín hiệu tế bào (cell signalling),…. Các lĩnh vực của Sinh học có đóng góp chủ yếu cho sự hiểu biết về các cấu trúc và chức năng của tế bào gồm : – Hóa sinh học làm rõ các cấu trúc phân tử và các thành phần của tế bào được tinh sạch. – Di truyền học phát hiện những hậu quả do đột biến gây ra và nhờ đó gắn kết từng protein cụ thể với các quá trình khác nhau trong tế bào. – Genomics (Khoa học về bộ gen) phát hiện những khác biệt trong cấu trúc và biểu hiện của các bộ gen nguyên vẹn. – Sinh học phát triển tìm các tính chất của những tế bào biệt hóa. 2. Mối quan hệ với các ngành khoa học tự nhiên Những thành tựu rực rỡ của Sinh học không thể tách rời các tiến bộ kĩ thuật do vật lí và hóa học, tin học đem lại. Đó là kính hiển vi điện tử, máy siêu li tâm, kĩ thuật đánh dấu đồng vị phóng xạ các phân tử, điện di (electrophoresis), sắc kí ái lực (affinity chromatography) có thể tách những phân tử phức tạp như các kháng thể đơn dòng, điện định vị hai chiều (bidimensionel electrofocalisation) cho phép phân tích cùng lúc đến 50000 loại protein của tế bào, vi phân tích (micro-analysis) giúp xác định cấu trúc bậc một của protein chỉ với vài nanogram chất hay phân tích các polysaccharide gắn với protein trong các glucoprotein. Đặc biệt sự ra đời của Tế bào học gắn liền với phát minh ra kính hiển vi, mà các cải tiến của nó tiến triển không ngừng với các chủng loại đa dạng và đ ộ phân giải ngày càng cao như kính hiển vi huỳnh quang, hiển vi điện tử, kính hiển vi đồng tụ điểm (confocal microscope) và kính hiển vi tách lớp (deconvolution microscopy). Nhiều phương pháp vật lí, hóa học hiện đại như sử dụng tia laser, cộng hưởng từ hạt nhân (NMR : Nuclear magnetic resonance), khối phổ (Mass spectroscopy), phân tích tinh thể protein và cấu trúc bộ gen bằng tia X (X-ray cristallography) đã được sử dụng phổ biến. Các máy tự động ra đời rút ngắn đáng kể thời gian nghiên cứu. 3. Mối quan hệ với tin học Khoa học của thế kỷ 20 phát triển đến chóng mặt với tốc độ ngày càng nhanh hơn. Sự hòa hợp của hai lĩnh vực hàng đầu là Sinh học và Tin học ở ngay những năm cuối, đánh dấu đỉnh cao của khoa học, được coi như “ cuộc ráp nối của thế kỉ”. Tin học 8
can thiệp vào Sinh học ở ba mức độ : thu số liệu, khai thác sử dụng và điều khiển chúng. Tin học đã ghi đậm dấu ấn không thể thiếu được trong thành công của Bộ gen người. Tin-sinh học (Bioinformatics) là sản phẩm của sự ráp nối. Thuật ngữ Tin-sinh học (Bioinformatics) được Hwa Lim nêu ra năm 1987 dựa trên cơ sở thông tin sinh học được bảo tồn và truyền đạt bởi DNA. Hiện nay, Bioinformatics có thể hiểu là việc sử dụng công nghệ điện toán tiên tiến để thấu hiểu và tích hợp các dữ liệu sinh học (sinh học phân tử và di truyền học) đặc biệt là hiểu căn cơ mê cung của các cấu trúc phức tạp và chức năng của các cấu phần (components) riêng lẻ của tế bào sống trong mối quan hệ hài hòa với toàn bộ cơ thể. Vấn đề trung tâm của hoạt động tương hổ giửa tin học và sinh học là thông qua việc xây dựng các đối tượng sinh học nhân tạo (các gen và protein) nhờ điện toán rồi sau đó quay lại thí nghiệm để kiểm tra và chỉnh lý. Đây sẽ là phương tiện hữu hiệu gắn chặt các sáng tạo tin học và sinh học với nhau. Và như vậy, ngoài các phương pháp thông thường của sinh học như thí nghiệm trong cơ thể sinh vật ( in vivo), thí nghiệm trong ống nghiệm (in vitro) như cắt, nối, sao chép DNA, còn có thể thêm thí nghiệm sinh học trên máy điện toán (in silico). Nếu nhớ lại rằng nhờ phát minh ra mô hình cấu trúc DNA (1953) dẫn đến nghiên cứu tính di truyền trong ống nghiệm (in vitro) đã thúc đẩy sinh học phân tử phát triển nhanh đến mức chưa lường hết được các thành tựu sắp tới, thì phương pháp mới nghiên cứu sinh học trên máy điện toán (in silico) sẽ có ý nghĩa quan trọng cỡ nào. Đặc biệt trong những năm đầu thế kỉ này, Tin học thể hiện vai trò to lớn chưa tùng có trong thời đại sau bộ gen và đứng trước nhiều thách thức. Nhiều lĩnh vực mới hình thành góp phần tích cực cho sự phát triển Sinh học tế bào như Cell imaging (Tượng hình tế bào) hay tượng hình kĩ thuật số (digital imaging) : dựa vào các hình ảnh nhận được xây dựng mô hình cấu trúc phân tử hoặc gắn kết các cấu trúc thành hệ thống. Công nghệ này góp phần tích cực cho nghiên cứu Genomics, Proteomics và Sinh học tế bào. Những kĩ thuật tiên tiến thời thượng này vừa là cơ sở vững chắc cho sự phát triển nhanh và hiệu quả cao hơn của Y sinh học thế kỉ XXI. Sự hiểu biết các gen và sản phẩm của chúng có vai trò thiết yếu trong ghi nhận sự vận hành của các tế bào, các mô, cơ quan và toàn bộ cơ thể. Sự hiểu biết chi tiết các vấn đề này đòi hỏi vài cấp độ thông tin. Ở các cấp độ gen và sản phẩm gen, các kĩ thuật in vivo, đo sự biểu hiện protein vào thời điểm cụ thể, vi trí, sự biến đổi và hoạt tính sẽ là những vấn đề then chốt. Bản đồ tương tác toàn bộ các protein trong tế bào và vị trí của chúng sẽ là họa đồ (atlas) cho các khai thác sinh y học của trao đổi chất tế bào trong nhiều thế kỉ tới. 4. Anh hưởng xã hội của Sinh học tế bào Đặc điểm của cuộc cách mạng sinh học mới hiện nay là không những tác đ ộng làm tốt hơn các nhu cầu sống của con người, mà còn có thể tác động trực tiếp làm biến đổi bản thân con ngừơi. Đặc biệt, sự can thiệp vào tế bào động vật có vú dễ áp dụng cho tế bào người là vấn đề nhạy cảm với xã hội. Trong vài thập niên gần đây, nhiều ứng dụng của Kĩ thuật di truyền và Công nghệ tế bào động vật đã gây nên nhưng cuộc tranh cãi gay gắt với các quan điểm trái ngược nhau. Điều đó cho thấy rõ vai trò quan trọng của Sinh học tế bào trong đời sống, vì các công nghệ mang tính cách mạng có tác động rất lớn đối với xã hội theo nhiều hướng khác nhau như hậu quả về kinh tế, xã hội và đ ạo đ ức. 9
Đạo lí sinh học (Bioethics) là vấn đề trung tâm của các tranh luận biểu hiện ở hai mặt chủ yếu : các vấn đề tâm lí - xã hội và những thí nghiệm phi đạo lí. Đạo lí sinh học không phải là vấn đề mới, nó đã được nêu lên từ thời Hypocrates. Vấn đề đầu tiên được đề cập đến là chết tự nguyện. Tiếp sau là vấn đề sinh sản nhân tạo (IVF). Năm 1983, UNESCO đã thành lập Ủy ban quốc tế về đạo lí sinh học IBC (International Bioethics Commitee). Tổ chức này đã nêu các dự án, thu thập ý kiến đ ể đi đến các luật lệ về đạo đức sinh học . Ủy ban tuyên bố rằng “ Bộ gen người là tài sản chung của loài người”. Các vấn đề tâm lí - xã hội nảy sinh khi ứng dụng công nghệ tế bào. Ví dụ, các biện pháp sinh sản nhân tạo như : bơm tinh nhân tạo (artificial insemination − AI), thụ tinh trong ống nghiệm (in vitro fertilization − IVF) đã gặp sự phản đối của các tổ chức tôn giáo. Ngoài ra, một số sự cố do thụ tinh trong ống nghiệm như sinh ra nhiều hơn 2 trẻ em, mà chúng có một số biểu hiện một số bệnh, gây lo ngại cho xã hội. Một vấn đề cũng gây tranh cải là mang thai hộ cho người khác (từ năm 1983 đã có người mẹ mang thai hộ đầu tiên và cần đặt ra luật lệ mới. Các thí nghiệm phi đạo lí : Vấn đề mà loài người lo sợ hơn cả là một số thí nghiệm tạo ra các sản phẩm không hoàn chỉnh mà xã hội phải chịu hậu quả hoặc vài cá nhân có thể lợi dụng Công nghệ gen và tế bào tạo ra các dạng sinh vật phi đạo lí . Điều này cần được sớm ngăn chặn. Tuy nhiên, hiện vẫn còn nhiều tranh cãi và chưa có sự nhất trí. Ví dụ, năm 2001, sau phát hiện tế bào gốc soma, ở Mĩ đã cấm các nghiên c ứu xa h ơn vì sợ dẫn đến tạo dòng người (human cloning). Vấn đề này hiện còn bàn cải vì cấm thì khoa học không phát triển ở lĩnh vực tương ứng. Gần đây, thành công về nghiên cứu t ế bào gốc ở Hàn Quốc và một số nước khác làm Mĩ có thể xem xét lại vấn đ ề này. Cộng đồng châu Âu và một số nước đã nêu ra các luật lệ để kiểm soát các nghiên cứu tế bào gốc. Những người bảo vệ môi sinh kịch liệt phản đối việc tạo dòng người và cả GMO (Genetically Modified Organism – Các sinh vật biến đổi gen). Trong khi đó, J. Lederberg (giải Nobel về y học) bảo vệ quan điểm cần tạo dòng người như phương tiện để sản sinh ra “các cá thể ưu việt”. H. Varmus, t ổng giám đ ốc của NIH (National institutes of Health), đã giải trình trước Quốc hội Mĩ rằng : "Trong một số tình huống hiếm hoi, nó có thể có lợi như một đứa bé được tạo ra t ừ tủy sống c ủa người đàn ông bất thụ, khi sử dụng tế bào trứng của mẹ”. Tạo dòng con người ? Qua nhiều năm, khi nghiên cứu sinh học sinh sản động vật có vú và chuyển gen các loài động vật có vú phát triển, có vẻ như khả năng tạo dòng một con người sẽ thật sự xảy ra vào một thời điểm nào đó trong tương lai. Nhận thức này trở thành hiện thực vào năm 1997, khi cừu Dolly ra đời và tiếp sau là phát hiện tế bào gốc soma vào 1998. Hiện nay, không quá cường điệu để tin rằng có thể tạo dòng con người. Chính vì vậy thông báo về cừu Dolly, mà các báo gọi ngắn gọn là “sinh sản vô tính” , đã làm xôn xao dư luận trên thế giới, đến nỗi các tổng thống Mỹ, Pháp và nghị viện Anh phải lên tiếng. Không cần thắc mắc, việc dòng hoá con người đang là một đề tài gây nhiều tranh cãi và bị công kích mạnh. Vào thời điểm hiện nay, những nghiêm cấm luật pháp này phải có đủ hiệu lực ngăn chặn việc tạo dòng con người. Tuy nhiên, câu hỏi liệu việc dòng hoá con người có đáng để thực hiện không sẽ phải được giải đáp. Nhiều người cho rằng, về mặt đạo lý nhiều thí nghiệm tương tự không được phép tiến hành ở con người. Trong thập ki 1990, Nghị viện châu Âu đã thông qua 3 luật c ấm các thí nghiệm liên quan đến đạo lý. 10
Cấp bằng sáng chế cho những nghiên cứu sinh vật đa bào : Việc cấp bằng sáng chế cho những nghiên cứu sinh vật đa bào (do chuyển gen hay nhân bản vô tính) vẫn tiếp tục gây lo lắng về khía cạnh đạo đức và xã hội. Tuy nhiên, hiện nay, việc cấp bằng sáng chế cho các nghiên cứu động vật biến đổi gen được phê chuẩn ở hầu hết các quốc gia, bao gồm Mĩ, các thành viên của Liên minh châu Âu, Nhật, Úc, New Zealand, và nhiều quốc gia khác. IV. CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN 1. Công nghệ nuôi tế bào động thực vật Ngay từ năm 1840, hai năm sau khi Học thuyết tế bào ra đời, J. Shleiden đã nêu ý tưởng con người có thể nuôi tế bào. Nhưng phải mất 100 năm sau, vào năm 1937 mới nuôi thành công tế bào cà rốt và năm1949, J.F. Enders nuôi mô động vật thành công làm cơ sở cho sản xuất vaccine chống bệnh bại liệt. Nuôi tế bào động vật rất khó nhưng phát triển rất nhanh vì có nhiều ứng dụng phục vụ nhu cầu cấp thiết trong phòng ngừa và chữa trị bệnh cho người : sản xuất vaccine virus, các protein và hormone ; sản xuất kháng thể đơn dòng,… Đầu thập niên 1950, tế bào động vật có vú được nuôi với số lượng l ớn đ ể nuôi nhiều virus bại liệt (Poliomyelite virus) dùng chế vaccine chống bệnh bại liệt và sau đó nhân các virus khác sản xuất các protein đặc hiệu như các kháng thể và interferon. Vaccine chống bệnh bại liệt đã cứu hàng trăm triệu trẻ em trên thế giới hàng năm tránh được căn bệnh hiểm nghèo làm tàn phế suốt đời. Việc nuôi tế bào trong môi trường lỏng có lắc đạt quy mô trên nghìn lít. Nhu cầu tăng mạnh trong sản xuất các chế phẩm mi ễn dịch dẫn đến sự phát triển Công nghệ vaccine và các chế phẩm miễn dịch. Hình 1.5. Nuôi tế bào người trong các bình Roux to xếp trên kệ Mới đây tháng 11/2005, Tổng thống Hoa Kì George W. Bush nêu ra chiến lược 7,1 tỉ USD phát triển vaccine chống virus H5N1 gây cúm gia cầm, mà dạng đột biến của nó có thể gây bệnh dịch lớn cho người. Tổng thống đòi hỏi Hạ Viện (Congress) số kinh phí 2,8 tỉ USD cho sự phát triển các Công nghệ nuôi tế bào (cell-culture technologies) để “làm cho công nghệ nuôi tế bào từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm triển khai ra dây chuyền sản xuất lớn nhằm cung cấp đủ vaccine cho mỗi một công dân Hoa Kì sau 6 tháng kể từ khi dịch bệnh bùng phát. Nuôi cấy mô thực vật góp phần cho nhân giống vô tính và chọn giống in vitro thúc đẩy sự phát triên trồng trọt. Các tế bào thực vật đuợc nuôi rời để sản xuất một số hoá chất. Đặc biệt, có thể sử dụng tế bào thực vật cố định (immobilized cell) để thực hiện nhiều lần lặp lại một số phản ứng chuyển hoá hoặc sản xuất các chất. Cố định t ế bào 11
giúp sử dụng hoạt tính enzyme mà khỏi mất nhiều công sức cho chiết tách và tinh sạch enzyme rất tốn kém. 2. Các biện pháp sinh sản nhân tạo a. Can thiệp vào sinh sản ở người Nhiều trường hợp vô sinh ở người có thể chữa trị và khi chữa không được thì phải nhờ các biện pháp sinh sản nhân tạo như : bơm tinh nhân tạo (artificial insemination − AI), thụ tinh trong ống nghiệm (in vitro fertilization − IVF). Bơm tinh nhân tạo là kĩ thuật ra đời sớm nhất. Ca đầu tiên thực hiện vào năm 1790. Đến năm 1953, tinh trùng được đông lạnh và bảo quản nên biện pháp này trở nên phổ biến. Hiện nay, hơn 250000 trẻ em trên toàn thế giới được sinh ra mỗi năm nhờ phương pháp này. IVF ( Thụ tinh trong ống nghiệm) : Phương pháp IVF là tách tế bào trứng cho thụ tinh với tinh trùng trong ống nghiệm hoặc đĩa Petri. Sau đó phôi đ ược đ ưa vào t ử cung người mang thai. “Đứa bé ống nghiệm” (test-tube baby) đầu tiên sinh ra năm 1978. Đến năm 1997, riêng ở Mĩ đã có 24582 trẻ em sinh ra nhờ IVF, chiếm 0,6% của 3,9 triệu trẻ em sinh ra trên toàn thế giới hàng năm. Từ năm 1995, một kĩ thuật mới là tiêm tinh trùng vào tế bào chất (intracytoplasmic sperm injection – ICSI) ra đời. Hai phương pháp mới có hiệu quả với chi phí thấp hơn IVF là : – GIFT (Gamete intrafallopian transfer) – chuyển giao tử vào ống dẫn trứng là kĩ thuật thụ tinh bằng tinh trùng ngay trên cơ thể người mẹ.. – ZIFT (Zygote intrafallopian transfer) – chuyển hợp tử vào ống dẫn trứng là biến dạng của GIFT khi hợp tử IVF được đưa vào ống dẫn trứng với kết quả trung bình 23%. b. Các biện pháp sinh sản nhân tạo động vật nuôi – Thụ tinh nhân tạo : Thụ tinh nhân tạo được áp dụng ở động vật (chó) từ năm 1782. Đặc biệt từ năm 1949 đã sử dụng chất chống đông để đông lạnh và rã đông tinh trùng động vật thành công. Năm 1952, con bò đầu tiên sinh ra nhờ tinh trùng đông lạnh. Năm 1959, con thỏ đầu tiên ra đời nhờ IVF. Kĩ thuật này được áp dụng cho động vật quý hiếm. Sản xuất tinh đông viên áp dụng rộng rãi ở lợn, bò, cá. Nhờ tinh đông viên mà thụ tinh nhân tạo được ứng dụng cho hơn 80% bò, 60% lợn ở các nước phát triển. Vấn đề quan trọng là phải có phương pháp đánh giá và chọn được con đực có năng suất cao như nhiều sữa, tăng trưởng nhanh. – Cấy chuyền phôi : Từ năm 1951, con bò đầu tiên ra đời. 3. Công nghệ nhân bản vô tính động vật Năm 1952, lần đầu tiên thành công tạo ra nòng nọc sống từ tế bào trứng mất nhân và cho nhận nhân tế bào biểu bì da ếch. Sau cừu Dolly, nhiều thí nghiệm nhân bản vô tính được thực hiện với kết quả thành công khác nhau. Nói chung là thành công còn hạn chế và thường chưa lặp lại được kết quả như ý muốn. – Nhân bản vô tính bò : Hàng tá bò nhân bản vô tính đã ra đời, nhưng nhân được lấy không phải từ tế bào soma mà từ tế bào phôi (hình 1.6). 12
– Nhân bản chuột : Các nhà khoa học Nhật Teruhiko Wakayama và thầy Ryuzo Yanagimchi đã nhân bản chuột thành công. − Ở chó, mèo, khỉ thì việc nhân bản rất khó. Con chó Missy (hình 1.7) được chủ là một triệu phú đặt hàng với số tiền 2,3 triệu USD đang chờ tạo dòng. Hình 1.6. Bò nhân bản vô tính từ nhân tế bào phôi Tuy nhiên, các động vật dòng vô tính có những biểu hiện khác thường như chứng béo phì. Thành công của tạo dòng vô tính ở động vật có vú mở ra nhiều ứng dụng khác trong chăn nuôi : – Nhân bản các vật nuôi kỉ lục trong sản xuất : Một con bò sữa cho nhiều sữa đạt kỉ lục, nhưng thế hệ con của nó không được như vậy. Nhân bản vô tính sẽ giúp tái tạo các vật nuôi có năng suất cao. – Nhân giống các động vật chuyển gen : Các động vật này khi sinh sản hữu tính có thể thế hệ con không nhận được gen mục tiêu. Sự Hình 1.7. Chó Missy can thiệp của tạo dòng vô tính là cần thiết. – Bảo tồn nguồn gen và những động vật quý hiếm. 4. Công nghệ tế bào gốc Việc phát hiện Tế bào gốc soma (Somatic stem cell) vào năm 1998 đã mở ra một công nghệ tế bào mới có ứng vô cùng to lớn, có thể nói tạo bước ngoặc quan trọng trong nghiên cứu và ứngdụng Sinh học tế bào. Đến nay tuy còn tranh cãi nhưng có thể định nghĩa tế bào gốc là những tế bào có khả năng tự tái sinh vô hạn và có thể tạo ra ít nhất một kiểu tế bào hậu duệ được biệt hoá ở mức cao (hình 1.8). Rõ ràng những nghiên cứu thành công các tế bào gốc phôi sẽ mở ra một viễn cảnh ứng dụng vô cùng sáng sủa. Đặc biệt nó tháo gỡ hàng loạt các trở ngại then chốt trong các kĩ thuật khác của Công nghệ sinh học (CNSH) động vật và có thể nói về vai trò cách mạng hoá CNSH động vật. Thứ nhất, nuôi cấy mô tế bào động vật sẽ gặp khó khăn là tế bào bình thường không nuôi được thành dòng vì chết theo chương trình và hơn 50 năm qua vẫn sử dụng các dòng tế bào ung thư để nuôi cấy. Nuôi tế bào gốc sẽ được thực hiện dễ dàng hơn với nguồn tế bào dồi dào có thể thu được từ các loại mô khác nhau của người. 13
Hình 1.8. Tế bào gốc phôi sinh sản tạo nhiều dòng tế bào biệt hoá khác nhau Thứ hai, đáp ứng chính xác đặc hiệu miễn dịch của từng cá thể nhờ nguồn tế bào gốc có thể thu được từ mỗi người và chữa trị ngay cho chính họ. Điều này mở ra lĩnh vực mới là liệu pháp tế bào (dùng tế bào gốc khỏe mạnh bình thường thay thế tế bào bệnh). Ứng dụng cấy ghép các tế bào gốc để điều trị các bệnh thoái hoá ngày càng trở nên quan trọng và phổ biến. Liệu pháp tế bào sẽ đưa y học lên tầm cao mới. Thứ ba, kháng thể đơn dòng sẽ tạo dễ dàng với tế bào gốc người. Thứ tư, nhân bản vô tính sẽ dễ dàng hơn với nhân của tế bào gốc. Thứ năm, kĩ thuật thay thế và ghép mô hay cơ quan ở người sẽ thực hiện dễ dàng hơn với tế bào gốc của người được điều khiển để phát triển thành cơ quan như mong muốn. Có thể nói, sự kết hợp kĩ thuật tế bào gốc với các lĩnh vực khác sẽ t ạo nhi ều b ước đột phá trong CNSH động vật. Vấn đề lớn nhất hiện nay đối với tế bào gốc soma là sự tắt dần khả năng phân chia và biệt hoá sau một thời gian nuôi cấy. Một số ứng dụng điển hình : – Ghép các tế bào gốc tạo máu trong điều trị các tình trạng khác nhau của sự suy thoái hệ thống tạo máu. – Chữa trị các bệnh thuộc hệ thần kinh do sự thoái biến các tế bào thần kinh. Ví dụ như bệnh Parkinson, bệnh Alzheimer, bệnh teo cơ ( amyotrophic lateral sclerosis) do các tế bào thần kinh bị chết v.v… – Tái tạo da sau chữa trị bỏng. 14
– Tái tạo mô cơ – xương qua thủ thuật ghép các tế bào gốc phôi trung bì hay các bệnh xương, sụn … trong chấn thương chỉnh hình. – Nghiên cứu liệu pháp tế bào gốc (stem cells therapy) nhằm làm giảm tổn thương sau cơn nhồi máu cơ tim ở người bệnh. – Ứng dụng vào các thủ thuật ghép tủy xương. – Các tế bào gốc dùng như véc tơ chuyển gene trong thủ thuật ghép tự thân nhằm cải tiến tình trạng sức khỏe nhiều loại bệnh nhờ khả năng phục hồi về số lượng và chất lượng tế bào. – Chữa trị các bệnh tự miễn dịch, suy giảm miễn dịch như đái tháo đường týp 1, AIDS do HIV. Hỗ trợ cho các liệu pháp chống ung thư hiện nay như giúp phục hồi tủy xương sau hoá trị liệu, phóng xạ trị liệu,... Ngoài ra, hiện nay đang hướng vào liệu pháp thay thế cơ quan. 5. Tế bào trong xét nghiệm và thử nghiệm chế phẩm – Chẩn đoán bệnh lí : bằng quan sát trực tiếp tế bào hay nhuộm màu hoặc thử hoạt tính enzyme của tế bào có thể chẩn đoán bệnh của người hay động vật nuôi. – Các thử nghiệm về hiệu quả của các tác nhân trị liệu hay độc tố thường tiến hành trên chuột và các động vật. Các thử nghiệm này đắt giá và có quy mô hạn chế. Các mô hình tế bào được sử dụng mở ra khả năng to lớn trong tầm soát (screening) các chất thuốc hay xác định nhanh độc tính của các sản phẩm Công nghệ sinh học. 6. Tế bào có bộ gen tối thiểu và tế bào nhân tạo Trên cơ sở biết rõ bộ gen các vi sinh vật, con người đã chế tạo t ế bào với bộ gen tối thiểu (minimal genome) và tế bào nhân tạo (artificial cell). Bộ gen tối thiểu được định nghĩa khái quát là bộ gen nhỏ nhất cho phép một sinh vật sao chép trong một môi trường cụ thể. Khả năng tạo ra một sinh vật mới với bộ gen mini vẫn là một thách thức đang mong đợi, vì nó sẽ mở ra một lọat các hướng nghiên cứu mới khác nhau. Cần lưu ý là giữa tế bào nhân tạo và sự sống nhân tạo còn một khoảng cách khá xa. Vi khuẩn Mycoplasma genitalium có bộ gen nhỏ nhất trong tất cả các sinh vật nuôi được thuần chủng. Nó có trao đổi chất tối thiểu và bộ gen ít dư thừa (DNA không mã hoá). Do vậy, bộ gen của nó coi như chứa một số gen gần như tối thiểu để duy trì sự sống của vi khuẩn. Các nhà khoa học của nhóm Cr. Venter thông báo vào tháng 01/2006 rằng họ xác định được 382 gen trong số 482 gen mã hoá protein của Mycoplasma genitalium là thiết yếu. Các gen mã hoá cho protein mà chức năng chưa rõ chiếm đến 28% của nhóm các gen thiết yếu mã hoá protein. Sự cắt bỏ một số gen này làm gia tăng sự tăng trưởng của vi khuẩn. Trên cơ sở biết rõ bộ gen tối thiểu, con người có thể chế tạo tế bào nhân tạo với gần 400 gen thiết yếu bọc trong màng phospholipid tổng hợp . Tế bào nhân tạo hứa hẹn nhiều ứng dụng ngoạn mục trong tương lai như : – Thiết kế tế bào nhân tạo sản xuất bất kì loại protein hay chất nào theo ý muốn. – Thiết kế tế bào nhân tạo trực tiếp biến đổi sinh khối thực vật thành ethanol nhiên liệu hay phân hủy các chất dị sinh (xenobiotic) bảo vệ môi trường như mới đ ược thông báo gần đây. 15
Tóm lại, cùng với sự phát triển của Sinh học tế bào nhiều lĩnh vực Công nghệ tế bào hình thành và phát triển mạnh góp phần rất lớn cho việc cải thiện toàn điện chất lượng cuộc sống của con người. V. CÁC NGUYÊN TẮC CHUNG TRONG NGHIÊN CÚU SINH HỌC Sinh học tế bào là một bộ môn của Sinh học, nên các nghiên cứu của nó phải tuân thủ những nguyên tắc chung của ngành học. 1. Nguyên tắc thứ nhất : các kiến thức sinh học phải nằm trong hệ thống tiến hóa của thế giới sinh vật. Con số các đối tượng sinh vật được dùng trong nghiên cứu rất nhỏ so với khối đa dạng to lớn trong thiên nhiên. Tuy nhiên, đó là những đối tượng tiêu biểu, các kết quả thu từ chúng suy ra được cho từng nhóm hay cả thế giới sinh vật. Ví dụ, ruồi dấm là đối tượng mô hình nghiên cứu các quy luật di truyền. Các kết quả nghiên cứu thu được đều có thể so sánh, đối chiếu với những hiện tượng tương ứng ở những sinh vật thấp hoặc cao hơn trên thang tiến hóa. Những so sánh đối chiếu sẽ giúp hiểu sâu vấn đề, nhìn rõ sự phát triển từ thấp lên cao, từ đơn giản đến phức tạp. Quan điểm tiến hóa sẽ giúp việc thu nhận kiến thức sinh học trở nên có hệ thống. Từ những kiến thức tổng quát có thể suy đoán về những hiện tượng sẽ xảy ra ở từng nhóm sinh vật. Ví dụ : Từ phát hiện đột biến chuột béo phì sai hỏng protein lectin ở chuột tìm ra gen tương ứng ở người (hình 1.9). Hình. 1.9 . Đột biến chuột béo phì sai hỏng protein lectin ở chuột 2. Nguyên tắc thứ hai : tế bào là đơn vị nghiên cứu của sinh học. 3. Nguyên tắc thứ ba : sự tương quan thống nhất giữa cấu trúc và chức năng biểu hiện ở tất cả các mức tổ chức khác nhau. Để hiểu rõ chức năng nào đó, cần biết chi tiết nó được thực hiện do cấu trúc nào. Ngược lại biết rõ chức năng có thể suy ra c ấu trúc. 4. Nguyên tắc thứ tư : Tất cả các sinh vật đều có thành phần cấu tạo vật lý và hóa học như giới vô sinh và toàn bộ các quá trình sống đều tuân theo các quy luật vật lý và hóa học. 5. Nguyên tắc thứ năm : Các sinh vật phải thu nhận năng lượng và vật liệu để duy trì cấu trúc đặc thù, rồi thải phế phẩm ra ngoài. 6. Nguyên tắc thứ sáu : Trong nghiên cứu sinh học, bộ gen chứa thông tin di truyền cho sự sinh sản và phát triển. 7. Nguyên tắc thứ bảy : nghiên cứu sinh học phải đặt trong tiến trình của sự phát triển cá thể. Hoạt động sống diễn ra liên tục và cơ thể sinh vật đổi khác thường xuyên. Hoạt động sống của cơ thể trẻ khác với già. Khi tìm hiểu các quá trình sinh học phải biết nó nằm trong giai đoạn nào của sự phát triển. 16
8. Nguyên tắc thứ tám : Sự phổ biến của các cơ chế phản hồi. 9. Nguyên tắc thứ chín : Sự thừa kế của các quá trình sinh học. Nguyên tắc này nằm trong hệ thống tiến hóa. Các nghiên cứu Sinh học tế bào đều có liên quan ít nhiều đến các nguyên tắc trên, nguyên tắc 2 thuộc về Sinh học tế bào. VI. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA SINH HỌC TẾ BÀO 1. Những quan sát đầu tiên. Vào năm 1655, nhà khoa học Anh Robert Hooke (1635 – 1703) công bô tác phẩm Micrographia (vi ảnh), trong đó lần đầu tiên mô tả và nêu thuật ngữ “ tế bào” (the cell) từ những quan sát được thực hiện nhờ những kính hiển vi quang học đ ầu tiên với độ phóng đại x 30 lần. Dưới kính hiển vi, ông quan sát mảnh nút chai, tức vách tế bào thực vật đã chết, thấy có nhiều lỗ nhỏ giống hình tổ ong gọi là tế bào (hình 1.10). Năm 1675, Marcello Malpighi xuất bản sách Anatome Plantarum (giải phẩu thực vật) mô tả thực vật trên cơ sơ quan sát dưới kính hiển vi. Tiếp theo năm 1676, Anton van Leeuwenhoek (1632 – 1723) người Hà Lan dùng cát mài kính phóng đại đạt đến x 300 lần (hình 1.11). Nhờ vậy, ông phát hiện được các vi sinh vật trong những giọt nước ao (hình 1.12) và sau đó nhìn thấy các t ế bào máu và tinh trùng ở động vật. Về sau, sự hoàn thiện kính hiển vi quang học đã giúp các nhà khoa học tích lũy nhiều số liệu về tế bào. 2. Học thuyết tế bào đầu tiên và các phát minh cuối thế 19 Học thuyết tế bào (cell theory) tức quan niệm cho rằng tất cả các sinh vật được cấu tạo từ các tế bào do hai nhà khoa học Đức, nhà thực vật học J. Schleiden công bố vào năm 1838 và nhà động vật học T. Schwann, năm 1839. Như vậy sau gần 200 năm, lần đầu tiên hai ông cho rằng, tất cả thực vật và động vật đều cấu t ạo nên t ừ nhiều t ế bào và tế bào là đơn vị căn bản của sinh giới. Năm 1858, thầy thuốc người Đức R.Virchov công bố sách Cellularpathologie (Bệnh lí học tế bào) phát triển thêm rằng tất cả các tế bào đều bắt nguồn từ những tế bào sống trước nó (omnis cellula ex cellula) và không có sự hình thành tế bào ngẫu nhiên từ chất vô sinh. Thời này học thuyết tế bào gồm 2 nội dung : – Tất cả sinh vật đều cấu tạo từ các tế bào và sản phẩm của chúng. – Các tế bào mới đưọc tạo ra từ sự phân chia những tế bào trước đó. Năm 1862, nhà bác học Pháp Louis Pasteur đã tiến hành thí ngiệm rõ ràng, chứng minh chắc chắn rằng sự sống không tự ngẫu sinh. Sau đó các phát minh khác về tế bào học lần lượt ra đời đến cuối thế kỉ 19 như nêu trên bảng 1.1. 17
Hình 1.11. Bản sao chế kính hiển vi của Leeuwenhoek . Hình 1.12. Hình vẻ một số vi khuẩn của Leeuwenhoek (ảnh công bố 1684) Hình 1.10. Kính hiển và mảnh nút chai mà R. Hooke quan sát Bảng 1.1. Những phát minh tế bào học cuối thế 19. Sự kiện Tác giả Các năm Mô tả nguyên phân ở thực vật 1870 E.Strasburger Mô tả nguyên phân ở động vật 1875 E.van Beneden Mô tả hợp nhân khi thụ tinh ở : – đông vật 1879-1882 V. Flemming – thực vật 1883- 1884 O.Hertving N.N.Gorojankin E.Strasburger Thuyết di truyền nhân tế bào 1883-1884 B.Roux E.Strasburger O.Hertving Thuật ngữ “nhiễm sắc thể ra đời 1883 V.Valdeier Phát hiện “sự phân li” của nhiễm sắc 1884-1887 L.Geizer thể (NST) L.Giniar E.van Beneden Số lượng ổn định của NST 1885 K.Rable Mô tả giảm phân 1887 V.Flemming E.van Beneden Giữa thế kỉ 19, Virchop chứng minh rằng tế bào bệnh bắt nguồn từ tế bào bình thường và sự sai hỏng chức năng tế bào gây ra bệnh. Cuối thế kỉ 19, hiểu rằng sự tăng trưởng của sinh vật đa bào nhờ sự phân bào. 18
3. Sự phát triển của sinh học tế bào trong thế kỉ 20. Đầu thế kỉ 20, di truyền học phát triển giúp hiểu rõ vai trò của nhiễm sắc thể (NST) và chứng minh gen là locus trên NST. Sự phát triển di truyền học kéo theo sự phát triển của sinh học tế bào. Các quá trình nguyên phân và giảm phân được hiểu chi tiết hơn. Thời này, học thuyết tế bào hiện đại khẳng định rằng tất cả các sinh vật đều cấu tạo nên từ tế bào và các sản phẩm của tế bào, những tế bào mới được tạo nên từ sự phân chia của những tế bào trước nó, có sự giống nhau căn bản về thành phần hóa học và các hoạt tính trao đổi chất giữa tất cả các loại tế bào và hoạt động của c ơ thể là sự tích hợp hoạt tính của các đơn vị tế bào độc lập. Trong nữa cuối thế kỉ 20, các nghiên cứu được tiến hành bởi các nhà sinh hoá học di truyển học và hình thái học, đã hội tụ cho sự ra đời của sinh học phân tử của tế bào, mà nó không ngừng phát triển và phát hiện ra nhiều tính chất mới của tế bào như đã nêu trên. Đặc biệt, việc công bố Bộ gen người, có thể nói ngoài mong đợi và sớm hơn dự kiến 3 năm, đã đánh dấu cột mốc lịch sử và mở ra một chân trời rộng lớn cho nghiên c ứu và khai thác Sinh họctế bào ở trình độ cao hơn trong thế kỉ 21. 4. Sinh học tế bào trong thế kỷ XXI Sinh học thế kỉ 21 bước vào thời đại sau bộ gen (post-genomics era), mà trọng tâm là Sinh học tế bào. Genomics, Proteomics, các phương tiện kĩ thuật mới cộng với sức mạnh của Công nghệ thông tin mở ra những lối tiếp cận hoàn toàn mới để hiểu sâu đến chi tiết hoạt động tổng thể vô cùng phức tạp của tế bào. Một trong những hệ quả quan trọng của Genomics là tạo ra bộ gen tối thiểu (minimal genome) và tế bào nhân tạo. Vấn đề này đã được tiếp cận về mặt lí thuyết cũng như thực nghiệm ở nhiều phòng thí nghiệm. Quan điểm mới được hình thành về các tế bào có các phần được lắp ráp cùng nhau để tạo nên một sinh vật với kiểu hình như ý muốn. Triển vọng đó đặt ra vấn đề : “Làm thế nào từ một ít các cấu phần cấu tạo nên tế bào ?”. Trong một môi trường không có sức ép (stress) và cung cấp đủ dinh dưỡng, sinh vật sống tự do (free-living organism) đơn giản nhất sẽ được kiến tạo như thế nào ? Lối tiếp cận mới này là một tiến bộ trong lĩnh vực Sinh học tổng hợp (synthetic biology) sẽ góp phần tích cực cho sự phát triển Sinh học tế bào. Những thành tựu như nhân bản vô tính động vật, tế bào gốc, tế bào nhân tạo, sinh vật có kiểu hình tùy ý,… sẽ hoàn thiện và phát triển nhanh. “Sự sống nhân tạo” sẽ thành hiện thực trong tương lai không xa. Sự kết nối máy điện toán với bộ não người là vấn đề có tầm chiến lược trong sự phát triển trí tuệ của loài người, mà dự báo sẽ đạt được vào khoảng những năm 2050 – 2060. Hai khó khăn lớn trước mắt phải vượt qua là tế bào thần kinh (neuron) không co lại khi chạm bọ điện tử và neuron tồn tại ổn định lâu dài (hiện chỉ sống được khoảng 1 tuần). Có người hi vọng rằng cuối thế kỉ XX đã biết được 3,2 tỉ nucleotide của bộ gen người thì cuối thế kỉ XXI sẽ hiểu chi tiết 10 tỉ neuron của bộ não người . Nguồn tri thức to lớn từ Sinh học tế bào sẽ thúc đẩy nhanh sự phát triển của hàng loạt ngành khoa học công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence), biorobot (người máy sinh học), biocomputer (máy điện toán sinh học),… Gần đây, một khoa học công nghệ mới được nêu 19
ra, chưa có tên gọi nhưng sẽ là sự tích hợp của các tri thức về Công nghệ nano, Công nghệ sinh học, điện tử học và nghiên cứu bộ não (Brain research). Những tiến bộ khoa học đó sẽ gắn liền với nhiều ứng dụng to lớn trong y dược học, nông lâm ngư nghiệp và bảo vệ môi sinh như việc ứng dụng tế bào gốc thay thế mô hay cơ quan bị sai hỏng chức năng trong Y học phục hồi và điều chế nhiều loại thuốc mới cho Y học cá thể hoá (individualized medecine), tức thuốc cho từng người theo đặc điểm bộ gen. TÓM TẮT CHƯƠNG Tế bào là sản phẩm có giá trị nhất của sự tiến hoá. Sự sống bắt đầu từ tế bào và sự đa dạng sinh giới là sản phẩm từ sự tiến hóa của tế bào. Tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống . Sinh học thế kỉ XX tiến bộ trên tất cả các lĩnh vực với tốc độ chưa t ừng thấy dẫn đ ền Thời đại gen mà đỉnh cao là Bộ gen người. Những thành tựu rực rở đó mở đường bước vào Thế kỉ Công nghệ sinh học, mà khởi điểm là thời đại sau bộ gen với hàng loạt chuyên ngành mới như Genomics, Proteomics, Bioinformatics,… Sự phát triển của Sinh học phân tử tế bào cho thấy hoạt động của tế bào càng nghiên cứu càng thấy hết sức phức t ạp. Điều đó đặt ra nhiệm vụ nặng nề hơn cho Sinh học thế kỉ XXI với những lối tiếp cận hoàn toàn mới cho Sinh học tế bào.. Sinh học tế bào là môn cơ bản của sinh học, nó có quan hệ với nhiều ngành khoa học tự nhiên và xã hội khác , đặc biệt là sự đóng góp không thể thiếu được của Tin học vào sự phát triển của lĩnh vực này. Sinh học tế bào có nhiều ứng thực tiễn như : Công nghệ nuôi tế bào động thực vật, sinh sản nhân tạo, nhẩn bản vô tính động vật, công nghệ tế bào gốc,... Một thành tựu mới hứa hẹn nhiều thành tựu mới trong tương lai là việc tạo ra tế bào với bộ gen tối thiểu (minimal genome) và tế bào nhân tạo (artificial cell). Sinh học tế bào có lịch sử phát triển lâu dài, sự ra đời của Học thuyết tế bào là một cột mốc quan trọng. Sinh học tế bào trong thế kỉ XX phát triên nhanh đ ạt nhi ều thành t ựu quan tr ọng và nó trọng tâm phát triển của Sinh học thế kỉ XXI . CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Vì sao nói sự sống bắt đầu từ tế bào ? 2. Sinh giới đa dạng nhưng thống nhấ trên cơ sở nào ? 3. Xét về cấu trúc cănbản có mấy loại tế bào ? 4. Dự án Bộ gen người đạt được kết quả và có nghĩa như thế nào? 5. Thời đại sau bộ gen là gì ? 6. Sinh học tế bào có vai tò như thế nào trong nghiên cứu Sinh học ? 7. Trong thập niên cuối thế kỉ XX, Sinh học tế bào đã có những phát hiện mới nào ? 8. Bộ gen người có ý nghĩa như thế nào cho sự phát triển Sin học tế bào ? 9. Thời đại sau Bộ gen có những đặc điểm gì ? 10. Sinh học tế bào có mối quan hệ như thế nào với các ngành khoa học khác ? 11. Bioinformatics có vai trò như thế nào trong sự phát triển của Sinh học t ế bào ? 12. Vì sao mới đây Hoa Kì đầu tư lớn cho Công nghệ nuôi tế bào ? 13. Thế nào là IVF, ICSI, GIFT, ZIFT ? 14. Các phương pháp sinh sản nhân tạo đã được áp dụng như thế nào ? 15. Cừu Dolly được tạo ra bằng nhân bản vô tính động vật có ý nghĩa gì ? 16. Tế bào gốc soma là gì ? Nêu các ứng dụng cụ thể của tế bào gốc. 17. Bộ gen tối thiểu và tế bào nhân tạo là gì ? 20