Giới thiệu giáo trình ” Giáo Trình Công Nghệ Sinh Học Đại Cương “
1.4. KHÁM PHÁ BẢN CHẤT CỦA SỰ SỐNG VÀ VAI TRÒ CHỦ ĐẠO CỦA GEN
Từ thời tiền sử nhân loại đã bị ám ảnh bởi những câu hỏi gắn như vĩnh hằng:
1. Sự sống do đâu mà có?
2. Thế nào là sự sống? Chất sống khác với chất không sống ở chỗ nào?
3. Tại sao sinh giới lại đa dạng và hài hoà đến như vậy?
4. Yếu tố nào quyết định sự tồn tại, vận động và phát triển của sinh giới?
5. Con người có thể cải tạo sinh giới không và bằng cách nào?
Tất cả những câu hỏi đó gần như không có câu trả lời cho đến khi phát hiện ra gen, phân tử ADN và hoạt tính sinh học của nó.
Chúng ta có thể phân biệt chất sống và chất không sống bằng 3 đặc tính cơ bản dưới đây:
– Khả năng sinh sản
– Khả năng trao đổi chất
– Khả năng di truyền, biến dị và tiến hoá
Trong đó, những thuộc tính của phân tử ADN quy định các đặc tính căn bản trên đây của cơ thể sống.
1.4.1. Khám phá bản chất của sự sống và khả năng cải tạo sinh giới bằng công nghệ sinh học
Gen và cấu trúc của gen quy dịnh mọi dạc tính của cơ thể sống và tính đa dạng phong phú của hệ sinh thái. Muốn cải tạo sinh giới phải tác động trực tiếp vào gen.
Sau những phát minh của Mendel và Morgan, người ta đã khẳng định: Mọi đặc tính của cơ thể sống do gen quy định. Nhưng chỉ mãi đến năm 1944 người ta mới xác định được gen chính là các phân tử deoxyribonucleic acid (ADN). Đến năm 1953, Watson và Crick đã phát minh cấu trúc hình sợi gồm hai chuỗi xoắn kép tương đồng của ADN. Mỗi sợi ADN là một polymer được tạo bởi các trình tự sắp xếp khác nhau của các nucleotid.
Có bốn loại deoxyribonucleotid: adcnin, guanin, cytosin và thimin. Cứ ba nucleotid lại tạo ra một tổ hợp chập ba (triplet) hay còn gọi là đơn vị mã di truyền (codon), bốn nucleotid với tổ hợp chập ba sẽ tạo ra 4³ = 64 codon khác nhau. Chiều dài của gen thường rất khác nhau. Nếu tính một gen trung bình được tạo bởi khoảng 900 nucleotid = 300 codons. Theo lý thuyết với 64 codon sẽ tạo ra 64.300 các phân tử ADN hay các gen khác nhau.
Với 7 nốt nhạc, nhân loại đã tạo ra hàng triệu bài ca. Với 32 chữ cái, các nhà văn đã viết ra hàng triệu cuốn sách. Với 64 codơn có thể sáng tạo ra hằng hà sa số các cấu trúc đa dạng vô cùng vô tận của phân tử ADN. Điều đó giải thích tại sao thế giới sống của ta lại phong phú, đa dạng và tuyệt vời đến như vậy. Hàng triệu các loài sinh vật trên trái đất, trên năm tỷ người hầu như không ai giống hệt ai. Hãy nhìn kỹ vào một người, một người bạn yêu chẳng hạn, có biết bao nhiêu màu sắc, bao nhiêu cấu trúc, bao nhiêu trítuệ, ngôn từ và tâm hồn trong đó.
Như vậy, tất cả tính đa dạng phong phú, tất cả những vẻ đẹp thiên thần của sự sống đều do gen và cấu trúc của gen quy định. Trật tự của các nucleotid quy định cấu trúc đặc thù của gen. Số lượng đa dạng của gen quy định tính đa dạng của sinh giới.
1.4.2. Vai trò của gen được thể hiện như thế nào trong tế bào sống?
Cấu trúc đặc thù của gen lại quy định cấu trúc đặc thù của ARN thông tin. Đến lượt ARN thông tin lại quy định cấu trúc đặc thù của các protein. Mỗi codon trong phân tửADN sẽ thích ứng với một phân tử axit amin trong mạch của protein. Trật tự của 64 codon trong ADN sẽ quy định trật tự sắp xếp của các axit amin (gồm trên 20 axit amin khác nhau) trong phân tử protein.
Ngày nay người ta đã xác định được trình tự cấu trúc nucleotid của hàng trăm ngàn gen và trình tự axit amin trong phân tử của hàng chục nghìn protein. Trong số các protein đã được tỉnh chế, có khoảng 90% protein là các enzym, khoảng 10% protein còn lại là các protein cấu trúc (thiết kế nên các tổ chức màng tế bào sống và cơ thể sống) và các chất hoạt tính sinh học khác nhau như các hormon, insulin, các interferon…
Như vậy trình tự axit amin đặc thù lại quy định tính đặc thù của các enzym, trong đó mỗi một phản ứng sinh hoá học hoặc mỗi bước trong quá trình dẫn truyền điện tử trong hệ thống màng tế bào đều được quy định bởi một enzym hoặc một protein cấu trúc. Hàng nghìn các chuỗi phản ứng sinh hóa học trong mỗi tế bào đều do các enzym hoặc hệ thống enzym quy định. Xét cho cùng gen và các sản phẩm trực tiếp của gen (các protein) quy định mọi cấu trúc và quá trình xảy ra trong cơ thể sống.
Gen và hệ thống gen, enzym và hệ thống enzym, protein và các tổ chức sống, tất cả nằm trong mối quan hệ biện chứng phức tạp giữa chúng với nhau và với môi trường sống, trong đó gen là chìa khoá của vận động sinh học.
Năm 1955, lần đầu tiên trật tự của các nucleotid trong phân tử ADN của một con vi khuẩn đã được xác định gồm khoảng 1,8 triệu cặp nucleotid. Ngày nay, người ta đã khẳng định trong mỗi vi khuẩn (tế bào tiền nhân prokaryote) các gen được sắp xếp trên một sợi ADN khép kín. Trong trực khuẩn đường ruột với kích thước khoảng 1 – 2 µm có chứa một sợi ADN có độ dài khoảng 1mm gồm trên bốn triệu cặp nucleotid hay tương đương với khoảng trên 3000 gen khác nhau. Trong các sinh vật bậc cao hơn, trong tế bào cukaryotes, các gen được sắp xếp theo trật tự nhất định trên sợi nhiễm sắc thể. Trong một tế bào của người có chứa khoảng 30.000 gen khác nhau.
