Tuần tin khoa học 501 (17-23/10/2016)

Giải thưởng Nobel Hóa Học 2016 dành cho công trình “Molecular Machine Makers”

Giải thưởng Nobel về Hóa Học 2016 đã thuộc về Jean-Pierre Sauvage của Đại Học Strasbourg, Pháp; J. Fraser Stoddart của ĐH Northwestern, Hoa Kỳ; và Bernard L. Feringa của Đại Học Groningen, Hà Lan. Giải thưởng cao quý này đã dành cho công trình của các tác giả nói trên do sự đóng góp đáng kể của học trong nội dung thiết kế và phát triển những cỗ máy phân tử (molecular machines). Năm 1983, Sauvage đã bắt đầu phát triển những công cụ phân tử này khi ông đã liên kết thành công hai phân tử “ring-shaped” với nhau để làm nên một chuỗi  có thuật ngữ khoa học là catenane. Những phân tử ấy được kết nối với nhau vô cùng hiệu quả thông qua những cầu nối đồng hóa trị rất mạnh mẽ, trong đó, những nguyên tử (atoms) chia sẻ các điện tử (electrons). Tuy nhiên, trong chuỗi “catenane”, các phân tử ấy được kết nối với nhau lại bởi một cầu tự do hơn (freer mechanical bond). Năm 1991, Stoddart đã phát triển một rotaxane bởi những vòng phân tử có tên là “thressing molecular rings” biến thành trục phân tử mỏng manh (thin molecular axle) và biểu hiện như sau: vòng phân tử này có thể di động dọc theo trục. Trên cơ sở rotaxane, ông đã phát triển một công cụ nhấc lên có tính chất phân tử (molecular lift), một cơ phân tử (molecular muscle), và một con chip có tên là “molecule-based computer chip”. Năm 1999, Feringa đã phát triển một “molecular motor” đầu tiên, nó cho phép ông luân chuyển trục “glass cylinder” gấp 10.000 lần lớn hơn “motor” và ông đã thiết kế thành công một công cụ có tên là “nanocar” (xe có qui mô “nano”). Người ta cố gắng ứng dụng thành công kết quả này vào liệu pháp hóa trị đối với tế bào ung thư, mà không ảnh hưởng đến tế bào bình thường. Xem Nobel Prize .

Thể hiện của gen Phytase trong nội nhũ lúa mì làm gia tăng khả năng của sắt và kẽm

Phytate là thành phần hóa học có trong hạt lúa mì đóng vai trò “chelates” bắt giữ rất chặt sắt và kẽm (những ion kim loại), do vậy, làm giảm giá trị dinh dưỡng của hạt lúa mì nói riêng và hạt mễ cốc nói chung. Cây transgenic biểu hiện enzyme “phytase” ở trạng thái dị hợp tử được người ta kỳ vọng làm phân giải mạnh mẽ acid phytic và được giả định là sẽ làm tăng chất dinh dưỡng khoáng có trong hạt lúa mì. Nabeela Abid  và ctv. thuộc Forman Christian College, Pakistan,  đã phát triển thành công giống lúa mì transgenic biểu hiện gen “phytase” của vi nấm Aspergillus japonicus (gen phyA) trong nội nhữ hạt lúa mì. Các dòng lúa mì transgenic này biểu hiện hàm lượng phytase cao 18–99 % về hoạt tính của nó và làm giảm 76% acid phytic trong hạt lúa mì với hàm lượng thấp nhất trong “chapatti” (bánh nướng bằng lúa mì của dân Nam Á). Phân tích còn cho thấy enzyme này tăng từ hai đến chín lần so với đối chứng. Không có sự khác biệt đáng kể về hàm lượng dinh dưỡng nói chung giữa hạt transgenic và không-transgenic. Tuy nhiên, xét nghiệm về sắt và kẽm có trong bột nhão và trong bánh mì của dòng lúa mì transgenic cho thấy chúng gia tăng đáng kể đối với sắt và kẽm. Xem Transgenic Research.

Yếu tố phiên mã ERF109 trong chống chịu mặn của cây Arabidopsis

 Các nhà khoa học thuộc Đại Học King Abdulaziz, đứng đầu là Ahmed Bahieldin, Vương quốc Saudi Arabia, muốn nghiên cứu vai trò của các TFs (transcription factors) được biểu hiện bởi những gen có liên quan đến hiện tượng PCD (programmed cell death: cái chết của tế bào được lập trình) trong khi có stress mặn xuất hiện. Nhóm nghiên cứu này tập trung vào họ protein (superfamily) của AP2/ERF – được viết tắt từ chữ “ethylene responsive factor” khi nó phản ứng với những kích thích của stress sinh học và phi sinh học cũng như khi nó lập trình tự chết (PCD). Lá của cây thuốc lá (Nicotiana benthamiana) được đưa vào nghiệm thức có oxalic acid để kích thích “PCD”. Những gen được điều tiết theo kiểu UP xảy ra sau hai giờ xử lý và được biết có PCD được người ta sử dụng để chọn lọc những TFs. Các đột biến knockdown những TFs này được tạo nên thông qua virus kích hoạt sự câm gen (VIGS: virus inducing gene silence) trong cây thuốc lá để hiểu rõ PCD. Hai hệ thống TFs, có tên là ERF109 và TFIID5, được người ta xác định và được xét nghiệm trong cây Arabidopsis. Phân tích bằng kỹ thuật knockout và cho biểu hiện mạnh mẽ các dòng biểu hiện ERF109 liên quan đến chống chịu mặn cũng như ức chế PCD trong cây. Xem BMC Plant Biology.

Hình: Làm câm gen PDS để gây ra hiệu ứng “photo-bleaching”

Biểu hiện mạnh mẽ của gen AtOxR cải tiến tính chống chịu stress phi sinh học và hàm lượng vitamin C của cây Arabidopsis

Stress phi sinh học là những đe dọa đối với sự tăng trưởng và năng suất cây trồng. Mặc dù stress phi sinh học có thể mang đến những phản ứng khác nhau, nhưng hầu hết chúng đều kích hoạt sự tích tụ “cái gọi là ROS” (reactive oxygen species) trong tế bào thực vật. L-ascorbic acid (vitamin C) là chất chống ô xi hóa (antioxidant) giúp bảo vệ cây chống được stress phi sinh học. Hơn nữa, vitamin C còn là một phần vô cùng quan trọng cho dinh dưỡng của con người. Do đó, việc làm “gia tăng vitamin C” trở nên quan trọng trong nội dung cải tiến chống chịu stress phi sinh học và dinh dưỡng cây trồng. Nhà khoa học Yuanyuan Bu và Bo Sunwe đứng đầu trong nhóm nghiên cứu thuộc Đại Học Northeast Forestry, Nhật Bản, vừa mới đây đã khám phá ra rằng có sự thể hiện một gen của cây Arabidopsis, gen AtOxR, phản ứng được nhiều stress phi sinh học. Sự thể hiện gen AtOxR trong cây Arabidopsis transgenic  đã tăng cường sự chống chịu với stress phi sinh học. Nghiên cứu sâu hơn cho thấy sự thể hiện mạnh mẽ gen AtOxR làm tích tụ nhiều hơn vitamin C trong cây transgenic. Gen AtOxR phản ứng lại với nhiều stress phi sinh học và biểu hiện mạnh mẽ để cải tiến tính chống chịu stress phi sinh học bằng cách gia tăng hàm lượng vitamin C trong cây Arabidopsis thaliana. Xem BMC Plant Biology.

 Hình: Phân tích trình tự gen và tin sinh học của gen AtOxR.

“TALENs-mediated Targeted DNA”, chèn phân tử này vào bộ genome khoai tây

 Về mức độ hiệu quả của kỹ thuật, công nghệ “targeted DNA integration” (hợp nhất DNA mục tiêu) tỏ ra tốt hơn công nghệ truyền thống trong cải biên di truyền, mà trong cải biên truyền thống ấy kết quả chỉ dựa vào sự chèn đoạn một cách ngẫu nhiên. Những transgenes khi được hợp nhất vào bộ genome một cách đặc biệt tỏ ra đảm bảo hơn trong hiệu quả đồng phân ly (co-segregate) và các mức độ thể hiện trở nên có khả năng dự đoán hơn, như vậy, dễ quản lý vận hành hơn. Các nhà khoa học của J.R. Simplot, đứng đầu là Adrienne Forsyth, hiện này đang mô tả một phương pháp cho phép hợp nhất một “TALEN-mediated induction” của những phân tử DSBs (double strand breaks: mạch kép bị đứt gãy) với sự chọn lọc của chỉ thị phân tử có tính chất không tự quản (non-autonomous marker) để chèn đoạn transgene vào trong vùng genome  được chọn, rất năng động của bộ gen cây khoai tây (Solanum tuberosum). Đoạn phân tử TALEN (transcription activator-like effector nucleases) này được thiết kế để sáng tạo ra DSB trong trình tự genome nói trên, theo đó là promoter có tính chất “constitutive”. Vector “cho” bao gồm gen của đoạn cassett mong muốn và gen nghèo promoter, có chỉ thị gen kháng thuốc cỏ mang tính chất “non-autonomous”. Cây khoai tây sự kiện biến đổi gen xảy ra với tần suất cao, mỗi một cây sự kiện có được đều biểu hiện ổn định gen mong muốn. Xem Frontiers in Plant Science.

Sử dụng virus biến đổi gen trong công nghệ “genome Editing”

Genome editing trên cơ sở những nucleases được thiết kế theo những trình tự đặc biệt để cải biên thông tin di truyền của tế bào sống theo một đặc điểm mong muốn nào đó. Phóng thích các nucleases có tính chất “designer” như vậy, có tính chất độc lập hay phối hợp với nhau trên dây nền DNA “cho”, đều có thể cho kết quả “knock-outs” hoặc “knock-ins” gen. Những vector là virus, được thao tác bằng công nghệ di truyền trên virus “engineered replication-defective”, đã trở thành những thể mang vận chuyển có vai trò vô cùng quan trọngđối với dây nền DNA “donor” và các “designer nucleases”, ví dụ như zinc-finger nucleases (ZFNs), TALENS (transcription activator-like effector nucleases) và tập họp lại thành chùm gen, phán tán đều đặn, cấu trúc ngắn 5’-3’ (short palindromic), kết gắn với Cas9 (CRISPR−Cas9). Các nhà khoa học của ĐH Leiden, Medical Center, Hà Lan đã tổng quan việc sử dụng virus trong kỹ thuật di truyền liên quan đến “genome editing”. Họ đã tập trung vào những “scaffolds” chủ lực của chúng. Họ đã thảo luận danh tiếng của những viral vectors nhưng những hệ thống vận chuyển trong “genome editing” (chỉnh sửa genome) cũng như thông tin di truyền về các tính trạng, và những thuận lợi, những bất lợi của phương pháp mới ấy. Xem Molecular Therapy.

Genome của nấm men làm bia

Một nhóm các nhà nghiên cứu của Hoa Kỳ và Bỉ đã theo dõi dấu vết của lịch sử thuần hóa nấm men làm bia (beer yeasts), rượu, bánh mì, và saké. Bằng phương pháp giải trình tự DNA của các genome ấy với 157 chủng nòi (strain) hiện nay của nấm men làm bia, các nhà khoa học cho thấy làm thế nào người ta chuyển nạp được nấm men hoa dại của Saccharomyces cerevisiae vào một số chủng nòi (strains) thương mại qua hàng trăm năm. Họ đã tìm thấy có 5 “sublineages” nấm men. Chúng đã trãi qua sự chọn lọc đối với một số tính trạng cần thiết, thích nghi rộng với  công nghiệp hiện đại. Tất cả nấm men công nghiệp đều có dấu hiệu can thiệp của con người, nhưng các bộ genome của nấm men làm bia đều thay đổi một cách đáng nể nhất. Các chủng nòi nấm men làm bia mang những biến thiên di truyền và tự tái bản các gen bao gồm tiêu thụ maltose và maltotriose, đường chủ lực của bia. Những genome mới ấy có thể làm thay đổi kỹ thuật sản xuất bia. Nhà di truyền học Kevin Verstrepen thuộc ĐH Leuven thực hiện việc cải thiện giống của nhiều chủng nòi nấm men và lựa ra con lai “hybrids” với một bộ gen cải tiến mong muốn. Phòng thí nghiệm của ông ấy sản xuất bia bằng nấm men cải biên di truyền. Xem Nature.com.

THÔNG BÁO

ICABBBE 2017

Hội Nghị Quốc Tế lần thứ 19 về Công Nghệ Sinh Học Nông Nghiệp, Công nghệ Hệ Thống Sinh Học (19^th International Conference on Agricultural, Biotechnology, Biological and Biosystems Engineering) viết tắt là ICABBBE 2017, được tổ chức tại Mumbai, India vào ngày 7-8, tháng Hai năm 2017. Xem chi tiết ICABBBE 2017 website.