Sự kết hợp giữa sinh học và công nghệ mang lại những lợi ích to lớn cho con người, đặc biệt là trong y học, thậm chí còn dùng để tái tạo khuôn mặt tội phạm. Dưới đây là một số ứng dụng điểm nhấn kể từ khi ADN được ra đời.
Vài nét về ADN
Theo Bách khoa thư mở, ADN gọi theo từ viết tắt tiếng Pháp Acide désoxyribonucléique hoặc DNA, theo từ viết tắt tiếng Anh Deoxyribonucleic acid. Đây là phân tử mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt động sinh trưởng, phát triển, chuyên hóa chức năng và sinh sản của các sinh vật và nhiều loài virút. DNA và RNA là những axít nucleic, cùng với protein, lipid và những cacbohydrat cao phân tử (polysaccharide), chúng tạo nên bốn đại phân tử chính đóng vai trò thiết yếu đối với mọi dạng sống từng được biết đến. Phần lớn các phân tử DNA được cấu tạo từ hai mạch polyme sinh học xoắn đều quanh một trục tưởng tượng tạo thành chuỗi xoắn kép.
ADN lưu trữ thông tin sinh học, các mã di truyền đến các thế hệ tiếp theo và để chỉ dẫn cho quá trình sinh tổng hợp protein. ADN ở tế bào nhân thực (động vật, thực vật, nấm và nguyên sinh vật) được lưu trữ bên trong nhân tế bào và một số bào quan, như ty thể hoặc lục lạp. Ngược lại, ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn và vi khuẩn cổ), do không có nhân tế bào, ADN nằm trong tế bào chất. Bên trong tế bào, ADN tổ chức thành những cấu trúc dài gọi là nhiễm sắc thể. Trong giai đoạn phân bào các nhiễm sắc thể hình thành được nhân đôi bằng cơ chế nhân đôi ADN, mang lại cho mỗi tế bào có một bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh như nhau. Ở nhiễm sắc thể sinh vật nhân thực, những protein chất nhiễm sắc như histone giúp thắt chặt và tổ chức cấu trúc ADA. Cấu trúc thắt chặt này sẽ quản lý sự tương tác giữa ADA với các protein khác, quy định vùng nào của ADN sẽ được phiên mã.
ADN được cô lập được lần đầu tiên vào năm 1869 bởi Friedrich Miescher. Francis Crick và James Watson nhận ra cấu trúc phân tử chuỗi xoắn kép của nó vào năm 1953, dựa trên mô hình xây dựng từ dữ liệu thu thập qua ảnh chụp nhiễu xạ tia X do Rosalind Franklin thực hiện. DNA trở thành một công cụ phân tử giúp các nhà nghiên cứu khám phá các lý thuyết và định luật vật lý sinh học, như định lý ergodic và lý thuyết đàn hồi. Những tính chất vật liệu độc đáo của DNA biến nó trở thành phân tử hữu ích đối với các nhà khoa học vật liệu quan tâm trong lĩnh vực chế tạo vật liệu cỡ micro và nano, như trong công nghệ nano DNA.
Một số ứng dụng kể từ khi ADN được phát hiện
Đánh cắp gen:
Một sinh vật lạ dưới nước có tên Gấu nước (tardigrade) gần đây đã được các khoa học nghiên cứu, phát hiện thấy chúng có những đặc tính di truyền kỳ bí. Sau khi hệ gen của gấu nước được lập, khoa học khám phá ra nhiều khả năng siêu nhiên của sinh vật này. Động vật không xương sống cực nhỏ này có thể tồn tại trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt như trong nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ sôi, áp suất cực lớn đến mức không thể tin nổi, hoặc trong điều kiện bức xạ, thậm chí cả trong môi trường không có thức ăn và nước uống, gấu nước vẫn sống khỏe tới một thập kỷ. Qua nghiên cứu, khoa học phát hiện thấy, sở dĩ gấu nước có các đặc tính kỳ lạ này là do nó có khả năng đánh cắp gen từ các dạng sống khác. Động vật và con người trải qua quá trình này, được gọi là quá trình chuyển gen ngang, chủ yếu là nhờ virút. Hầu hết các loài có 1% ADN ngoại lai trong khi gấu nước lại có chứa tới 17,5%.
Gấu nước (tardigrade)
Gấu nước là tên gọi phổ biến của loài động vật tardigrada, sinh vật nhỏ bé, sống trong nước, thuộc nhóm các động vật có kích thước hiển vi tám chân, một phần của siêu ngành Ecdysozoa, được tìm thấy các đây 530 triệu năm, vào kỷ Cambri. Ước tính có tới 6.000 gen được đánh cắp từ vi khuẩn, nấm, nấm, cây trồng và sinh vật đơn bào. Gấu nước có cơ chế sống sót khi chúng tự khô. Cấu trúc ADN đặc biệt của gấu nước giúp chúng tự sinh tồn, ví dụ khi khô cằn hạn hán, hệ gen gấu nước tự tái cấu trúc, hấp thụ các sinh vật nhỏ hơn để giúp chúng tồn tại. Cơ chế này truyền cho các thế hệ tiếp theo, giúp hậu duệ gấu nước trường tồn trong những môi trường khắc nghiệt và cực đoan. Nhờ phát hiện nói trên, giúp con người hiểu sâu hơn về sự tiến hoá và thừa kế di truyền của các sinh vật sống.
Kem chống nắng từ ADN của tinh trùng cá hồi:
Tin vui cho nhóm người tôn thờ ánh nắng mặt trời, tương lai họ không còn phải lo về nguy cơ tổn hại về da do các tia cực tím trong ánh nắng mặt trời gây ra, đặc biệt là nguy cơ phá hủy ADN, phát sinh ung thư.
Kem chống nắng từ ADN tinh trùng cá hồi sẽ giúp con người tắm nắng vô tư mà không lo bị mắc bệnh
Năm 2017, các nhà khoa học đã nghiên cứu, cho ra đời một loại kem chống nắng từ ADN tinh trùng cá hồi, có khả năng hấp thụ tia cực tím, giống như làn da thứ hai bảo vệ cho con người. Nhờ sản phẩm đặc biệt nói trên mà ánh nắng mặt trời còn sót lại sẽ có tác dụng kích hoạt cơ thể theo chiều tích cực, giúp con người nhận được nhiều vitamin D hơn. Loại kem này tạo ra lớp bảo vệ da, nên có thể tắm nắng nhiều giờ mà không phải lo mất nước, giảm độ ẩm cơ thể và nhiều hệ lụy khác.
Theo các chuyên gia ở ĐH Hokkaido, Nhật Bản, ADN từ tinh trùng cá hồi được xem là một bộ lọc độc tố rất hữu ích. ADN trong tinh dịch của cá hồi là phân tử xoắn kép dài có chứa thông tin di truyền. Bên cạnh việc giữ vai trò dẫn truyền năng lượng và liên thông giữa các tế bà, ADN còn hỗ trợ trong việc thực hiện chức năng enzyme trong cơ thể cũng như sửa chữa và tái tạo các tế bào trong cơ thể. Đây là sản phẩm được phụ nữ Nhật Bản ưa chuộng. Ứng dụng loại kem này có thể pha thêm nước và ethanol. Vật liệu không màu này cũng có thể được sử dụng để băng vết thương khẩn cấp hoặc vết thương thông thường. Tinh thể kết tinh của kem nói trên còn cho phép các bác sĩ theo dõi tiến độ phục hồi vết thương mà không phải mở lớp băng ra.
Ứng dụng ADN trong chỉnh sửa gen:
Trong nỗ lực nhằm chữa bệnh rối loạn máu nguy hiểm, năm 2017, các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra phôi người trong phòng thí nghiệm. Đây là dự án liên quan đến phôi nhân bản và mô lấy từ một bệnh nhân mắc bệnh beta-thalassemia. Giống như nhiều bệnh di truyền khác, thiếu máu beta-thalassemia là căn bệnh do trục trặc trong base DNA của con người. Mã di truyền của con người bao gồm 4 base đại phân tử là adenine, cytosine, guanine, và thymine (A, C, G, và T). Chúng chứa toàn bộ hướng dẫn sử dụng cho việc hình thành con người và vận hành cơ thể.
Nếu một đại phân tử này bất thường, được gọi là đột biến điểm có thể liên quan đến 2/3 các bệnh di truyền. Để tìm ra đột biến điểm cho bệnh beta-thalassemia, các nhà khoa học đã quét 3 tỉ “chữ viết” của mã di truyền con người để tìm nguyên nhân.
Cuối cùng, hóa ra đột biến điểm nằm ở đại phân tử G là thủ phạm. Một kỹ thuật có tên biên tập đại phân tử thay thế đột biến này bằng đại phân tử A và cuối cùng đã chữa được căn bệnh đầu tiên nới trên ở cấp độ ADN. Trong tương lai, hệ thống biên tập cơ sở (chỉnh sửa ADN) sẽ mang lại kết quả tích cực trong việc điều trị các bệnh nan y di truyền khác