Bài giảng Sinh học - Chương I: Sinh học - Các khoa học về sự sống

n (gentech) ra đời kéo theo sự bùng nổ của công nghệ sinh học (biotechnology) là sự tích hợp của nhiều bộ môn sinh học, hóa học và cả vật lý học. Một cuộc cách mạng mới trong sinh học đã bắt đầu và đến nay chưa lường hết được những thành tựu mà nó sẽ đem lại.	NĂM 2003Kỷ niệm 50 năm ra chuỗi xoắn kép DNA Watson-Crick, phát minh lớn nhất thế kỷ 20.Hòan tất chỉnh lý bộ gen người với chất lượng cao.KỸ THUẬT DI TRUYỀN– Năm 1972 – 1973, kỹ thuật di truyền ra đời làm “bùng nổ” cách mạng CNSH. Con người có khả năng cắt, nối, ghép, chép và chuyển gen trong ống nghiệm (in vitro). Kỹ thuật di truyền dẫn đến tư duy và phương pháp luận mới trong nghiên cứu sinh học và các ứng dụng thực tiễn.– Con người có khả năng vượt giới hạn tiến hóa, thay quyền tạo hóa cải biến sinh giới và cả bản thân cơ thể sinh học của con người. Tháng 2/1997, Wilmut công bố nhân bản vô tính động vật (Animal cloning) cừu Dolly, mở ra triển vọng to lớn trong nhân giống nhiều loài động vật từ nhân của tế bào soma (tế bào thường cuả cơ thể), kể cả nhân bản người.Tế bào gốc (Stem cell) từ phôi và tế bào somaIII. CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN 1. Các ứng dụng tạo ra những cuộc cách mạng mới2. Cải thiện toàn diện chất lượng cuộc sống con người3. Một bộ phận của nền kinh tế tri thức4. Những điều “đáng sợ”.5. Thế kỉ CNSH là một tất yếu lịch sử 1. Các ứng dụng tạo ra những cuộc cách mạng mới– Vào thập niên 1960,  Cách mạng xanh đã làm tăng vọt sản lượng lúa mì, lúa nước nhờ các giống đột biến thân lùn. Hiện nay có các giống lúa Thần nông đang trồng phổ biến ở nước ta.– Vào thập niên 1970, Cách mạng công nghệ sinh học bùng nổ sau phát minh Kỹ thuật di truyền, làm cho con người có thể thay quyền tạo hóa cải biến các sinh vật và các cụm từ Cách mạng di truyền, Thời đại gen đã trở nên phổ biến (hình 1.5), mà đến nay chưa thấy giới hạn ngoại trừ đạo lí sinh học (Bioethics).Một đặc điểm của CNSH là sự gắn chặt giữa nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Sự giải ký tự chuỗi thành công ở bộ gen người và hàng trăm các sinh vật khác đã tạo ra ngành khoa học nghiên cứu về bộ gen - Genomics (genome : bộ gen) và nghiên cứu về protein là Proteomics. Kèm theo đó là những cuộc cách mạng trong từng ngành và hình thành Y dược học bộ gen (Medico-pharmaceutical genomics), Nông nghiệp dựa vào bộ gen (Agricultural genomics), Sinh môi dựa vào bộ gen (Environmental genomics).Tuy nhiên, bên cạnh mặt tích cực vẫn có nhiều vấn đề gây lo lắng và thậm chí sợ hãi cho nhiều người như các sinh vật biến đổi gen (Genetically Modified Organism-GMO) hay nhân bản vô tính người, Do đó, vấn đề đạo lí sinh học (bioethics) và an toàn sinh học (biosafety) được đặt ra và đã có nhiều luật cấm các thí nghiệm phi đạo lí như nhân bản người.2. Cải thiện toàn diện chất lượng cuộc sống con người Một đặc điểm nổi bật và đồng thời là khác biệt lớn nhất của CNSH so với các ngành khoa học kỹ thuật mũi nhọn khác là ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến con người. Những triệu phú và tỉ phú tin học đầu tư cho CNSH vì có thể có những con đường mới cải thiện cuộc sống con người. Cải thiện toàn diện chất lượng cuộc sống con người là nhu cầu cấp thiết của nhân loại trong thế kỷ mới này, khi mà đời sống vật chất không ngừng được nâng cao và khoa học công nghệ ở tầm cao mới. CNSH phải ở vị trí hàng đầu trong thỏa mãn khát vọng đó. Nó tác động tích cực đến mọi mặt đời sống con người, bao gồm duy trì mạng sống, nuôiï sống, cung cấp phương tiện sống và tạo môi trường sống. Hiện nay, với khả năng đến mức có thể cải biến con người thay quyền tạo hoá, CNSH có nhiều phương tiện kỹ thuật cao để thỏa mãn ước vọng của loài người. Ví dụ qua sự phát triển của y học :– Trước 1970 : Y học lâm sàng, chủ yếu hóa sinh và thuốc phân tử nhỏ.– 1975 – 1995 : Y sinh học phân tử có khả năng tạo dòng gen (Gene cloning), xác định các gen bệnh, tạo protein tái tổ hợp trị liệu (insulin, interferon,...) và phát hiện cơ chế bệnh như tế bào chết theo chương trình (apoptosis).– 1995 : Y học bộ gen (Genomic medecine) có thể chẩn đoán sự khác nhau trên từng nucleotide giữa các cá thể người, dẫn đến Y học cá thể hóa (Individualized medecine), Bộ gen dược học (Pharmacogenomics), Proteomics, Bioinformatics,...SINH MẠNG– Mạng sống con người : giải quyết những vấn đề vốn có mà những con người phải trải qua: sinh, lão, bệnh, tử. Có thể cải biến con người thay quyền tạo hóa.Sinh : chẩn đoán sớm, chữa bệnh vô sinh, săn sóc cho người có thai,« thiết kế trẻ em »,Lão : Giấc mơ cải lão hoàn đồng và bất tử đã có từ lâu đời, ngay cả ở những bật vua chúa, hoàng đế, nhưng tất cả đều về với cát bụi. Khả năng kéo dài tuổi thọ : tuổi thọ trung bình dự báo là 120 tuổi trong thế kỷ 21. Các gen của những người sống lâu trên 100 tuổi đang được nghiên cứu.Bệnh : CNSH đang tập trung nỗ lực tìm các loại thuốc hiệu nghiệm chửa khỏi khỏi các bệnh hiểm nghèo như ung thư, AIDS,. Thuốc cho mọi người : người trung niên, người già. Y học cá thể hóa sẽ phát triển mạnh và biện pháp dự phòng cho mỗi người khỏi bệnh sẽ là xu hướng chủ yếu của y học thế kỷ 21.Tử : Hiện nay, con người có nhiều khả năng kéo dài cuộc sống con người và vấn đề « bất tử » không còn là viễn tưởng.– Nuôi sống : đó là những vấn đề thường nhật con người phải có để duy trì sự sống mà hiện nay nạn đói đe doạ hàng trăm triệu người trên thế giới. Vấn đề lương thực thực phẩm liên quan đến các ngành nông lâm ngư nghiệp, mà CNSH đã tạo nên cuộc cách mạng ở tất cả các lĩnh vực này.– Chất lượng sống : Hơn thế nữa, thế giới sinh vật cung cấp những phương tiện sống căn bản cho con người. Đó là không khí trong lành để thở, cơm, thịt, cá để ăn ngon , vải để mặc đẹp	Nhưng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng như : sạch và có lợi về môi sinh.3. Một bộ phận của nền kinh tế tri thứcNền kinh tế tri thức đòi hỏi công nghệ cao và sự sáng tạo lớn. Trước hết phải nói đến kỹ thuật mấu chốt quyết định sự ra đời của CNSH hiện đại, đó là kỹ thuật tái tổ hợp DNA (DNA recombinant Technology), gọi đơn giản là công nghệ gen. Ngoài ra, như trên đã nói : CNSH liên quan chặt chẽ với những ngành khoa học công nghệ hàng đầu của thế kỷ như Tin học, Công nghệ nano, vật liệu mới và đòi hỏi nhiều sáng tạo. Chính những sáng tạo mới sẽ đẩy nhanh tốc độ phát triển của CNSH.Mục đích cuối cùng của đa phần các nghiên cứu CNSH là tạo ra thương phẩm và do vậy nó cũng chịu sự chi phối đáng kể về hiệu quả kinh tế. Sự phát triển nhảy vọt trong kinh doanh của CNSH đã thể hiện ngay từ 15 tháng 10 năm 1980, trong vòng 20 phút, giá cổ phiếu ở thị trường chứng khoáng New York của Công ty CNSH Genentech tăng từ 35 USD lên 89 USD và cuối ngày ở mức 71,25 USD với 528 000 cổ phiếu. Lần đầu tiên trong lịch sử thị trường chứng khoán có sự tăng vọt như vậy.Những động lực kinh tế đã thu hút nguồn vốn đầu tư lớn từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt có sự tham gia của các tập đoàn đa quốc gia hóa dược khổng lồ như Monsanto, Du Pont, Pharmacia, American Cyanamid, Eli Lilly, Merck, Novartis, Hoffmann-La Roche, GlaxoSmithKline,  Ngay từ năm 1983 – 1985, khoảng 200 công ty nhỏ về CNSH đã được thành lập ở Mỹ nhờ chính sách ưu đãi thuế. Đến 1985, số công ty tăng đến hơn 400, mà chủ yếu nhằm vào công nghệ gen ; và thuật ngữ « gen » có ngay trong tên gọi của nhiều công ty nổi tiếng như Genetech (từ 1980), Biogen, Amgen, Calgene, Engenics, Genex và Cangene.Tính đến 2002, ở Mỹ có hơn 1300 và toàn thế giới có hơn 3000 công ty CNSH. Một số công ty đã bán lại cho các tập đoàn hoá dược khổng lồ như năm 1991, 60% của Genentech đã bán cho Hoffmann-La Roche với giá 2,1 tỉ USD. Không ít công ty bị phá sản. Sự biến động đó là đặc điểm của thị trường CNSH. Năm 2000, tiền đầu tư đạt 33 tỉ USD. Đến năm 2000, hàng tá thuốc, sản phẩm của CN gen, đã được cấp giấy chứng nhận ; hơn 200 loại đang thử ở người và hơn 750 loại đang thực hiện. Từ 1996, lần đầu tiên doanh số protein tái tổ hợp erythroprotein (chất kích thích tạo máu) vượt 1 tỉ USD/năm. Năm 2000, tiền bán các kháng thể đơn dòng vượt 2 tỉ USD/năm. Doanh thu của CN gen tăng vọt từ 6 tỉ USD 1986 đến 25 tỉ năm 2000.Hơn thế nữa, một xu hướng phát triển chung của nền kinh tế tri thức là sự tham gia trực tiếp của các nhà khoa học vào các công ty. Hebert Boyer, một tác giả phát minh ra kỹ thuật di truyền, là phó chủ tịch công ty công nghệ gen đầu tiên Genentech. Theo gương ông có nhiều giáo sư, nhà khoa học đã trực tiếp tham gia vào các công ty CNSH nhỏ. Tạp chí bán nguyệt san Genetic Engineering News mỗi năm có nêu danh sách 100 triệu phú USD trong lĩnh vực CN gen và thống kê số có trình độ sau đại học trong đó (ít nhất là 96/100). Số liệu cho thấy hầu hết các triệu phú CNSH có trình độ sau đại học. Điều này cho thấy trong lĩnh vực sản xuất hàng hóa, các triệu phú CNSH vừa là doanh nghiệp vừa là nhà khoa học có trình độ cao. Đây là xu hướng phát triển chung của nền kinh tế tri thức, mà Bill Gates là một ví dụ. Nhận xét chung nhất có tính quy luật trong phát triển CNSH là thời gian cần thiết để chuyển đổi từ phát minh khoa học thành công nghệ sản xuất ngày càng ngắn dần.Ví dụ, Insulin tái tổ hợp bắt đầu thử nghiệm từ 1975, đến 1982 được phép sử dụng (7 năm); sản xuất chip chẩn đoán từ 1999 đến 2001 (3 năm). Ngay khi bộ gen người công bố thì vấn đề thương mại hóa bộ gen đã được đặt ra Thương mại hoá bộ gen thành hiện thực 4. Những điều “đáng sợ”.	 Bên cạnh những đóng góp to lớn cho nhân loại, sự phát triển của CNSH đồng thời gây không ít những điều đáng lo ngại. Đạo lý sinh học (Bioethics) và biosafety.	Kỹ thuật di truyền ngay từ lúc ra đời đã làm nhiều nhà khoa học lo sợ. Trải qua quá trình phát triển trong 30 năm, nhiều vấn đề tâm lý - xã hội được đăït ra. Có thể phân biệt hai loại vấn đề : tâm lý - xã hội và các thí nghiệm phi đạo lý. – Các vấn đề tâm lý - xã hội : Nhiều vấn đề tâm lý - xã hội nảy sinh khi biết rõ về bộ gen người như : Chẩn đoán sớm có ảnh hưởng xã hội như thế nào khi biết rằng một số người mạnh khỏe nhưng có mang gen bệnh? Đó là những vấn đề cần lí giải. Do những vấn đề trên, trong chương trình bộ gen người, một nhóm nghiên cứu về tâm lý - xã hội đã được thành lập để đánh giá các hậu quả có thể xảy ra. Đó là những vấn đề cần lý giải. Do những vấn đề trên, trong chương trình bộ gen người, một nhóm nghiên cứu về tâm lý - xã hội đã được thành lập để đánh giá các hậu quả có thể xảy ra.4. Thế kỷ CNSH là một tất yếu lịch sửNăm 1989, ông Covalchenko, Viện sĩ Viện hàn lâm khoa học Liên Xô, chuyên về tư liệu lịch sử có nhận xét về xu hướng phát triển khoa học như sau :”thế kỷ 20 là thế kỷ của vật chất vô sinh, thế kỷ 21 là thế kỷ hữu sinh (sinh vật), thế kỷ 22 là thế kỷ con người, thế kỉ 23 là thế kỷ hoạt động cá thể của con người,”. Nữa đầu thế kỷ 20 được coi là thế kỷ vật lý học, mà đỉnh cao ứng dụng là chế tạo thành công bom nguyên tử và chuẩn bị cho con người bay vào vũ trụ. Nữa sau thế kỷ 20, vật lý và hóa học tiếp tục phát triển mạnh và nhiều ngành mới đã hình thành như chinh phục không gian vũ trụ, công nghệ thông tin, tự động hóa, vật liệu mới, công nghệ nano, Cùng với đàï phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ đó, sinh học đã thu được những thành tựu sáng chói để vững bước tiến vào thế kỷ công nghệ sinh học.Mặc dù chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên thịnh vượng và công nghệ phát triển vượt bậc chưa từng thấy trong lịch sử, nhưng nhiều thách thức gay gắt đang đặt ra cho loài người.– Duy trì mạng sống con người : Nhiệm vụ hàng đầu của CNSH là giải quyết vấn đề mạng sống mà mỗi con người đều phải trải qua là sinh, lão, bệnh, tử. CNSH đang tập trung nỗ lực tìm các loại thuốc hiệu nghiệm chữa khỏi các bệnh hiểm nghèo như ung thư, AIDS,. Thuốc cho mọi người sống mạnh khoẻ hơn : cho người trung niên, người già. Y học cá thể hóa sẽ phát triển mạnh và biện pháp dự phòng cho mỗi người kháng được bệnh sẽ là xu hướng chủ yếu của Y học thế kiû XXI.– Đói và no quá mức : Hiện vẫn còn có 800 – 850 triệu người bị suy dinh dưỡng, trong đó có hơn 200 triệu trẻ em, và rất nhiều trẻ trong số này sẽ không bao giờ phát triển đầy đủ những năng lực trí tuệ và thể chất của mình. Ngoài ra, 1 đến 1,5 tỉ người thường không có những bữa ăn cân đối với lượng chất dinh dưỡng theo yêu cầu.Một mặt CNSH phải giải quyết nạn đói, mặt khác làm giảm số người béo phì đang gia tăng trên thế giới (khoảng 300 triệu năm 1995), đến mức ở Mỹ và các nước phát triển đã chính thức coi là một bệnh.Thực phẩm : không những an toàn cho người hiện nay, mà cho cả thế hệ con cháu mai sau. – Nhu cầu năng lượng Hiện nay rất cấp thiết và ngày càng gay gắt hơn khi dự báo nguồn năng lượng tái sinh sẽ cạn kiệt vào những năm 2050 – 2060. CNSH đang tập trung nỗ lực để biến nguồn sinh khối thực vật (như gỗ rừng, phụ phế liệu nông nghiệp,) khổng lồ trên Trái đất thành nhiên liệu tiện dụng như cồn ethanol thay xăng dầu. Ngoài ra, hydrogen là nguồn năng lượng lý tưởng, mà sản xuất hydrogen sinh học hứa hẹn là nguồn năng lượng rẻ tiền, an toàn và không gây ô nhiễm.– Cải thiện môi trường sống : Sự phát triển công nghiệp và khai thác tài nguyên quá độ đã gây những hiểm họa môi trường như vấn đề khí thải làm khí quyển nóng lên. CNSH phải gia tăng các quy trình công nghệ ít gây ô nhiễm hoặc thay thế quy trình có hại như sản xuất hóa chất xanh (green chemicals) hay các vật liệu chịu phân huỷ sinh học. Đồng thời tìm các biện pháp khắc phục ô nhiễm và bồi hoàn sinh học (bioremedation) như xử lí nước thải, phân huỷ các chất dị sinh (xenobiotic).Sinh học thế kỉ XX đã đặt bệ phóng vững chắc và nâng lên tầm cao mới cho sự phát triển Sinh học và Công nghệ Sinh học trong thế kỉ XXI. Kể từ thuở hoang sơ, khi con người còn thu nhặt hái lượm, chưa bao giờ con người hiểu biết về cơ thể mình sâu sắc như hiện nay, chưa bao giờ con người có quyền lực ghê gớm như hiện nay trong cải biến thiên nhiên phục vụ cho mình. Công nghệ Sinh học trong thế kỷ XXI sẽ góp phần tích cực khắc phục những thách thức nêu trên và đó cũng là một tất yếu lịch sử của sự phát triển KHCN của nhân loại.CÔNG NGHỆ SINH HỌC LÀ GÌ ?		Công nghệ sinh học (Biotechnology) do kỹ sư Hungary Karl Ereky nêu năm 1917 chỉ quá trình nuôi heo quy mô lớn bằng củ cải đường lên men.  Năm 1961, “Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology” (Tạp chí kỹ thuật và công nghệ vi sinh sinh hóa) đổi tên “Biotechnology and Bioengineering” (Công nghệ sinh học và kỹ thuật sinh học). Những năm 1970, sự "bùng nổ" CNSH.Công nghệ sinh học theo 2 nghĩa :	– Một xu hướng hiểu theo nghĩa rộng bao gồm cả các ứng dụng lâu đời như lên men rượu,bia, sản xuất phomai ,...và các kỹ thuật cao cấp ngày nay. Hiểu theo nghĩa rộng thì CNSH xuất hiện cách đây hơn 100 thế kỷ ( 10.000 năm).	– Một xu hướng hiểu nghĩa hẹp : CNSH liên quan đến kỹ thuật hiện đại nhất như công nghệ di truyền và các kỹ thuật cao cấp khác như cố định enzyme,tạo dòng vi khuẩn tổng hợp protein của người,tạo các kháng thể đơn dòng ...	Đến nay, có thể phân biệt 3 loại : CNSH truyền thống (Traditional Biotechnology), CNSH hiện đại (Modern Biotechnology) và Công nghệ sinh học phân tử (Molecular Biotechnology) là công nghệ ứng dụng kỹ thuật di truyền (Genetic Engineering).Quan niệm hiện nay về CNSH.	CNSH gồm 2 vế : sinh học (bio) và công nghệ (technology)– Sinh học : CNSH khác với trồng trọt, chăn nuôi, ...ở chỗ nào ? Giới hạn ở mức nhóm tế bào, tế bào và dưới tế bào. Ví dụ, kỹ thuật in vitro nuôi mô tế bào cây lúa hay hạt phấn lúa.– Công nghệ : ba khía cạnh khác nhau. Thứ nhất, công nghệ lên men. Thứ hai, với KTDT nói nhiều đến CNSH vì quá trình cải biến các sinh vật để tạo sản phẩm mới phải trãi qua nhiều công đoạn phức tạp đúng với nghĩa là một công nghệ. Ví dụ, quá trình nuôi tế bào, chiết tách DNA, chuyển gen,... đến thu nhận protein và peptid tổng cộng có tất cả 40 công đoạn hoặc nhiều hơn. Thứ ba, CNSH là một phạm trù sản xuất có sự gắn kết chặt chẻ từ nghiên cứu cơ bản đến tạo ra sản phẩm thương mại hóa hay được sử dụng rộng rãi.Khoai tây củ bi đang gieo vào bầuHạt nhân tạoChuối và dứa nuôi cấy mô. 	Công nghệ sinh học là công nghệ sử dụng các quá trình sinh học của các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật tạo ra thương phẩm phục vụ cho lợi ích con người”. 2. Các lĩnh vực của CNSHa) CNSH phân theo đối tượng Công nghệ sinh học phân tử (Molecular biotechnology) gồm công nghệ gen và các ứng dụng kỹ thuật di truyền. Sản phẩm : các protein, vaccin tái tổ hợp ; các chế phẩm dùng chẩn đoán và trị liệu ; các vi sinh vật, động thực vật chuyển gen ;  Công nghệ sinh học protein và enzyme (Biotechnology of proteins and enzymes). Sản phẩm: + Các protein của máu; vaccin và kháng thể; hormone và nhân tố tăng trưởng; interferon, interleukin; protein dùng cho phân tích; protein không xúc tác; ... + Các enzyme công nghiệp (industrial enzymes) như protease, amylase, pectinase; ; các enzyme cố định (immobilized enzymes); các enzyme từ vi sinh vật cực đoan (extremophiles) ; . + Cảm biến sinh học (biosensor). Công nghệ sinh học vi sinh vật (Microbial biotechnology).Sản phẩm : các loại thực phẩm lên men cổ truyền (rượu, bia, fromage, tương, chao ...), các enzyme, các acid hữu cơ, các amino acid, các thuốc kháng sinh, các biopolymer, ... hay sinh khối tế bào vi sinh làm nguồn protein, kể cả nấm trồng.... Công nghệ sinh học thực vật (Plant biotechnology) Sản phẩm : Các cây vi nhân giống trong ống nghiệm (in vitro), các dòng tế bào từ nuôi hạt phấn, các dòng tế bào thực vật được nuôi in vitro ứng dụng trong nhân và chọn giống,... Công nghệ sinh học động vật (Animal biotechnology) Sản phẩm : Các interferon, hormone chiết tách từ nuôi tế bào động vật, vaccin virus, các kháng thể đơn dòng, các tế bào gốc (stem cell) được nuôi tạo dòng (cloning)