DNA tái tổ hợp

DNA tái tổ hợp(viết tắt là rDNA) là phân tử DNA được tạo thành từ hai hay nhiều trình tự DNA của các loài sinh vật khác nhau. Trong kỹ thuật di truyền, DNA tái tổ hợp thường là được tạo thành từ việc gắn những đoạn DNA có nguồn gốc khác nhau vào trong vectơ tách dòng. Những vectơ tách dòng mang DNA tái tổ hợp này có thể biểu hiện thành các protein tái tổ hợp trong các sinh vật. Ví dụ một số dược phẩm là hormone peptide được tạo ra từ công nghệ DNA tái tổ hợp là insulin, hormone tăng trưởng, và oxytocin. Những vắc-xin cũng có thể được sản phẩm bằng phương thức này. Sinh vật chủ được sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ DNA này là Escherichia coli.

DNA tái tổ hợp là tên chung cho một đoạn DNA đã được tạo ra bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều đoạn từ các nguồn khác nhau. Việc hình thành DNA tái tổ hợp là có thể vì các phân tử DNA từ tất cả các sinh vật có chung cấu trúc hóa học, chỉ khác nhau về trình tự nucleotide. Các phân tử DNA tái tổ hợp đôi khi được gọi là DNA khảm vì chúng có thể được tạo thành từ vật liệu từ hai loài khác nhau như chimera trong thần thoại. Công nghệ rDNA sử dụng trình tự palindromic và dẫn đến việc tạo ra sticky and blunt ends.

Các trình tự DNA được sử dụng trong việc xây dựng các phân tử DNA tái tổ hợp có thể bắt nguồn từ bất kỳ loài nào. Ví dụ, DNA của thực vật có thể nối với DNA của vi khuẩn hoặc DNA của con người có thể nối với DNA của nấm. Ngoài ra, các trình tự DNA không xuất hiện ở bất kỳ đâu trong tự nhiên có thể được tạo ra bằng tổng hợp hóa học của DNA và đưa vào các phân tử DNA tái tổ hợp. Bằng cách sử dụng công nghệ DNA tái tổ hợp và DNA tổng hợp, bất kỳ trình tự DNA nào cũng có thể được tạo ra và đưa vào cơ thể sống.

Protein có thể là kết quả của sự biểu hiện của DNA tái tổ hợp trong các tế bào sống được gọi là protein tái tổ hợp. Khi ADN tái tổ hợp mã hóa protein được đưa vào cơ thể vật chủ, protein tái tổ hợp không nhất thiết được tạo ra.^[1] Sự biểu hiện của các protein ngoại lai đòi hỏi phải sử dụng các vectơ biểu hiện chuyên biệt và thường đòi hỏi phải tái cấu trúc đáng kể bằng cách trình tự mã hóa nước ngoài.^[2]

DNA tái tổ hợp khác 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 là một quá trình sinh học bình thường dẫn đến việc trộn lại các chuỗi DNA hiện có trong tất cả các sinh vật.

Tạo DNA

Nhân bản phân tử là quá trình tạo ra DNA tái tổ hợp trong phòng thí nghiệm.^[3]^[4]^[5]^[6]

Đây là một trong hai phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất, cùng với phản ứng chuỗi polymerase (PCR), được sử dụng để định hướng sao chép bất kỳ trình tự DNA cụ thể nào do nhà thực nghiệm chọn. Có hai sự khác biệt cơ bản giữa các phương pháp. Một là nhân bản phân tử liên quan đến việc sao chép DNA trong một tế bào sống, trong khi PCR sao chép DNA trong ống nghiệm, không có tế bào sống. Sự khác biệt nữa là nhân bản liên quan đến việc cắt và dán các chuỗi DNA, trong khi PCR khuếch đại bằng cách sao chép một chuỗi hiện có.

Biểu thức DNA

Sau khi cấy ghép vào sinh vật chủ, DNA ngoại lai có trong cấu trúc DNA tái tổ hợp có thể hoặc không biểu hiện. Nghĩa là, DNA có thể được sao chép đơn giản mà không biểu hiện, hoặc có thể phiên mã và dịch mã và protein tái tổ hợp được tạo ra. Nói chung, sự biểu hiện của một gen ngoại lai đòi hỏi phải tái cấu trúc gen để bao gồm các trình tự cần thiết để tạo ra một phân tử mRNA có thể được sử dụng bởi bộ máy dịch mã của vật chủ (ví dụ: promoter, tín hiệu bắt đầu dịch mã, và điểm kết thúc phiên mã).^[7] Những thay đổi cụ thể đối với sinh vật chủ có thể được thực hiện để cải thiện biểu hiện của gen ngoài tử cung. Ngoài ra, những thay đổi cũng có thể cần thiết đối với trình tự mã hóa, để tối ưu hóa quá trình dịch mã, làm cho protein hòa tan, hướng protein tái tổ hợp đến vị trí thích hợp trong tế bào hoặc ngoại bào và ổn định protein khỏi sự thoái hóa.^[8]^[9]^[10]

Lịch sử

Ý tưởng về DNA tái tổ hợp lần đầu tiên được đề xuất bởi Peter Lobban, một sinh viên tốt nghiệp của Giáo sư Dale Kaiser tại Khoa Hóa sinh tại Trường Y Đại học Stanford.^[11] Các ấn phẩm đầu tiên mô tả quá trình sản xuất thành công và sao chép nội bào của DNA tái tổ hợp xuất hiện vào năm 1972 và 1973, từ Stanford và UCSF.^[12]^[13]^[14]^[15] Năm 1980 Paul Berg, giáo sư Khoa Hóa sinh tại Stanford và là tác giả của một trong những bài báo đầu tiên ^[12], đã được trao giải Nobel Hóa học cho công trình của ông về axit nucleic "đặc biệt liên quan đến DNA tái tổ hợp". Werner Arber, Hamilton Smith, và Daniel Nathans đã chia sẻ Giải thưởng Nobel Sinh lý học và Y học năm 1978 cho việc khám phá Endonuclease hạn chế đã nâng cao các kỹ thuật của công nghệ rDNA.

Đại học Stanford đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế của Hoa Kỳ về DNA tái tổ hợp vào năm 1974, liệt kê 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 đã được trao vào năm 1980.^[16] Loại thuốc nhận giấy phép đầu tiên được tạo ra bằng công nghệ DNA tái tổ hợp là insulin nhân học, do Genentech phát triển và Eli Lilly and Company cấp phép.^[17]

Tranh cãi

Các nhà khoa học liên quan đến sự phát triển ban đầu của các phương pháp DNA tái tổ hợp đã nhận ra rằng tiềm năng tồn tại đối với các sinh vật chứa DNA tái tổ hợp có các 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 nghiên cứu DNA tái tổ hợp đã được bắt đầu đối với các thí nghiệm được coi là 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 ban hành các hướng dẫn chính thức cho công việc của rDNA. Ngày 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 một số sinh vật biểu hiện DNA tái tổ hợp, đặc biệt là khi chúng rời khỏi phòng thí nghiệm và được đưa vào môi trường hoặc chuỗi thức ăn. Những lo ngại này được thảo luận trong các bài báo về sinh vật biến đổi gen và tranh cãi về thực phẩm biến đổi gen. Hơn nữa, có những lo ngại về các sản phẩm phụ trong sản xuất dược phẩm sinh học, trong đó 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 gây ra mối đe dọa đối với sức khỏe của bệnh nhân và môi trường tổng thể.^[18]^[19]

Xem thêm

Tham khảo

^ Rosano, Germán L.; Ceccarelli, Eduardo A. (17 tháng 4 năm 2014). “Recombinant protein expression in Escherichia coli: advances and challenges”. Frontiers in Microbiology. 5: 172. doi:10.3389/fmicb.2014.00172. ISSN 1664-302X. PMC 4029002. PMID 24860555.
^ “Promoters used to regulate gene expression”. www.cambia.org. Bản gốc lưu trữ ngày 24 tháng 9 năm 2018. Truy cập ngày 16 tháng 2 năm 2018.
^ Campbell, Neil A. & Reece, Jane B.. (2002). Biology (6th ed.). San Francisco: Addison Wesley. tr. 375–401. ISBN 978-0-201-75054-6.
^ Peter Walter; Alberts, Bruce; Johnson, Alexander S.; Lewis, Julian; Raff, Martin C.; Roberts, Keith (2008). Molecular Biology of the Cell (5th edition, Extended version). New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4111-6.. Fourth edition is available online through the NCBI Bookshelf: link
^ Berg, Jeremy Mark; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert (2010). Biochemistry, 7th ed. (Biochemistry (Berg)). W.H. Freeman & Company. ISBN 978-1-4292-2936-4. Fifth edition available online through the NCBI Bookshelf: link
^ Watson, James D. (2007). Recombinant DNA: Genes and Genomes: A Short Course. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-2866-5.
^ Hannig, G.; Makrides, S. (1998). “Strategies for optimizing heterologous protein expression in Escherichia coli”. Trends in Biotechnology. 16 (2): 54–60. doi:10.1016/S0167-7799(97)01155-4. PMID 9487731.
^ Mahmoudi Gomari, Mohammad; Saraygord-Afshari, Neda; Farsimadan, Marziye; Rostami, Neda; Aghamiri, Shahin; Farajollahia, Mohammad M. (1 tháng 12 năm 2020). “Opportunities and challenges of the tag-assisted protein purification techniques: Applications in the pharmaceutical industry”. Biotechnology Advances (bằng tiếng Anh). 45: 107653. doi:10.1016/j.biotechadv.2020.107653. ISSN 0734-9750. PMID 33157154. S2CID 226276355.
^ Brondyk, W. H. (2009). “Chapter 11 Selecting an Appropriate Method for Expressing a Recombinant Protein”. Guide to Protein Purification, 2nd Edition. Methods in Enzymology. 463. tr. 131–147. doi:10.1016/S0076-6879(09)63011-1. ISBN 9780123745361. PMID 19892171.
^ Ortega, Claudia; Prieto, Daniel; Abreu, Cecilia; Oppezzo, Pablo Javier; Correa, Agustin (2018). “Multi-compartment and multi-host vector suite for recombinant protein expression and purification”. Frontiers in Microbiology (bằng tiếng Anh). 9: 1384. doi:10.3389/fmicb.2018.01384. ISSN 1664-302X. PMC 6030378. PMID 29997597.
^ Lear, J. (1978). Recombinant DNA: The Untold Story. New York: Crown Publishers. p. 43.
^ ^a ^b Jackson, D.; Symons, R.; Berg, P. (1972). “Biochemical method for inserting new genetic information into DNA of Simian Virus 40: Circular SV40 DNA molecules containing lambda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 69 (10): 2904–2909. Bibcode:1972PNAS...69.2904J. doi:10.1073/pnas.69.10.2904. PMC 389671. PMID 4342968.
^ Mertz, J. E.; Davis, R. W. (1972). “Cleavage of DNA by R 1 restriction endonuclease generates cohesive ends”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 69 (11): 3370–4. Bibcode:1972PNAS...69.3370M. doi:10.1073/pnas.69.11.3370. PMC 389773. PMID 4343968.
^ Lobban, P.; Kaiser, A. (1973). “Enzymatic end-to end joining of DNA molecules”. Journal of Molecular Biology. 78 (3): 453–471. doi:10.1016/0022-2836(73)90468-3. PMID 4754844.
^ Cohen, S.; Chang, A.; Boyer, H.; Helling, R. (1973). “Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 70 (11): 3240–3244. Bibcode:1973PNAS...70.3240C. doi:10.1073/pnas.70.11.3240. PMC 427208. PMID 4594039.
^ Hughes, S. (2001). “Making dollars out of DNA. The first major patent in biotechnology and the commercialization of molecular biology, 1974-1980”. Isis; an International Review Devoted to the History of Science and Its Cultural Influences. 92 (3): 541–575. doi:10.1086/385281. hdl:10161/8125. PMID 11810894. S2CID 22823711. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 14 tháng 2 năm 2021. Truy cập ngày 11 tháng 3 năm 2023.
^ Johnson, I. S. (1983). “Human insulin from recombinant DNA technology”. Science. 219 (4585): 632–637. Bibcode:1983Sci...219..632J. doi:10.1126/science.6337396. PMID 6337396.
^ Wang, Xing; Hunter, Alan K.; Mozier, Ned M. (15 tháng 6 năm 2009). “Host cell proteins in biologics development: Identification, quantitation and risk assessment”. Biotechnology and Bioengineering (bằng tiếng Anh). 103 (3): 446–458. doi:10.1002/bit.22304. ISSN 0006-3592. PMID 19388135. S2CID 22707536.
^ Bracewell, Daniel G.; Francis, Richard; Smales, C. Mark (14 tháng 7 năm 2015). “The future of host cell protein (HCP) identification during process development and manufacturing linked to a risk-based management for their control”. Biotechnology and Bioengineering (bằng tiếng Anh). 112 (9): 1727–1737. doi:10.1002/bit.25628. ISSN 0006-3592. PMC 4973824. PMID 25998019.

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 and 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.