02-07-2012, 01:26 PM
Khái niệm
- Sinh học phân tử (molecular biology) là môn khoa học nghiên cứu giới sinh vật hay các hiện tượng sinh vật ở mức độ phân tử. Ta gặp các nội dung của sinh học phân tử trong nhiều môn khoa học thuộc lĩnh vực khoa học sự sống đặc biệt là di truyền học và sinh hóa học. Ngược lại, các nội dung của di truyền học và sinh hóa học cũng bao hàm nhiều kiến thức của sinh học phân tử. Chính vì vậy có thể cho rằng có sự giao thoa và mối liên hệ chặt chẽ giữa sinh học phân tử, di truyền học, sinh hóa học và nhiều môn khoa học khác.
- Mục đích của sinh học phân tử là tìm hiểu mối tương tác giữa các hệ thống khác nhau trong tế bào bao gồm cả mối liên hệ và tương tác giữa các phân tử DNA, RNA, quá trình tổng hợp protein cũng như tìm hiểu cơ chế điều hòa những mối tương tác này. Kiến thức về các mối tương tác trong từng đối tượng tế bào, mô, cơ quan, hệ cơ quan, cơ thể v.v. giúp ta tìm hiểu sâu hơn về học thuyết trung tâm (central Dogma) trong di truyền học từ đó có những can thiệp thích hợp để đưa đến những ứng dụng trong y dược học, nông nghiệp, công nghiệp, bảo vệ môi sinh.v.v.
- Sinh học phân tử cũng không chỉ giúp con người nghiên cứu hình thái của sinh vật ở mức độ tinh vi hơn mà còn nghiên cứu quá trình hình thành, phát triển (về số lượng và kích thước) của một tế bào, một cơ quan, một cá thể hay một loài cũng như nghiên cứu về chức năng của các quá trình đó.
Các môn khoa học có mối liên quan chặt chẽ với SHPT
Thực tế thì các phương pháp nghiên cứu trong sinh học phân tử được phát triển dựa trên nền tảng kiến thức của di truyền học và sinh hóa học.
Sinh hóa học (hay hóa học của các quá trình sinh học) bao gồm sinh hóa học tĩnh (nghiên cứu cấu trúc, chức năng các thành phần hóa học) và sinh hóa học động (nghiên cứu quá trình hóa học diễn ra trong cơ thể sống). Nghiên cứu về quá trình tổng hợp các phân tử sinh học là một ví dụ của sinh hóa học. Có thể nói rằng không còn ranh giới rõ nét giữa sinh hóa học và sinh học phân tử.
Từ những nghiên cứu đặt nền móng về nhiễm sắc thể, DNA, RNA, kiểu gene, đột biến, kiểu hình, v.v. đến nay di truyền học đã có thể tìm hiểu ảnh hưởng của sự thiếu hụt một thành phần cấu tạo trong bộ máy di truyền một cách thuận lợi hơn với sự hỗ trợ của các phương pháp can thiệp ở mức phân tử như phương pháp gây bất hoạt gene.
Sinh học phân tử nghiên cứu các quá trình tự sao của DNA, tổng hợp RNA, tổng hợp protein. Hiểu một cách đơn giản, ta lại quay về với học thuyết trung tâm ở đó thông tin di truyền được chuyển qua các RNA để đến với các phân tử protein. Việc xác định vai trò của RNA là một trong những vấn đề quan trọng của sinh học phân tử.
Những lĩnh vực khác trong sinh học (như sinh học tế bào, sinh học tiến hóa) cũng là nơi hiện diện của sinh học phân tử.
Với sự trợ giúp của tin học, sinh học phân tử có thêm một công cụ mạnh mẽ. Nhiều vấn đề của sinh học được giải quyết hay ít nhất là định được hướng giải quyết thông qua các kiến thức tin học. Hiện nay giữa tin hoc và sinh học (đặc biệt là sinh học phân tử) đã hình thành khối kiến thức kết hợp. Thật khó có thể nói rằng các môn khoa học mới như sinh học tính toán, tin sinh học ra đời để giúp sinh học phần tử tìm kiếm lời giải cho các bài toán sinh học hay những nghiên cứu áp dụng những kiến thức từ hai lĩnh đã dẫn đến sự ra đời của các môn khoa học trên. Nếu cho rằng cả tin học và sinh học phân tử đều được sử dụng như những công cụ cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau thì sự kết hợp và hỗ trợ nhau của hai thứ công cụ này có khả năng đem lại cho con người nhiều điều mới mẻ hơn!
Những phương pháp thường được áp dụng trong SHPT
Từ những năm giữa thê kỷ 19, các nhà nghiên cứu sinh học phân tử đã tìm cách tách các phân tử DNA, RNA cũng như protein và khuyếch đại (nhân dòng) những phân tử này.
PCR (polymerase chain reaction)
Trong các tài liệu tiếng Việt có nhiều cách dịch khác nhau như phản ứng khuyếch đại gene, phản ứng chuỗi trùng hợp v.v. Về bản chất, phản ứng này được thực hiện nhằm mục đích tạo nhiều bản sao từ một phân tử DNA khi có mặt của DNA-polymersase với quá trình biến nhiệt theo chu kỳ.
Trong cơ thể sinh vật, các phân tử DNA được nhân lên (quá trình tự sao) với sự có mặt của DNA- polymerase, các thành phần tạo chuỗi DNA (các bazơ nitơ). Để quá trình tự sao này diễn ra nhân tạo, ngoài DNA-polymerase và các bazơ nitơ, cần cung cấp các oligopeptide xác đinh điểm khởi đầu và điểm kết thúc của đoạn DNA cần tạo dòng (các primer, ta quen gọi là các đoạn mồi), dung dịch đệm (buffer) và đặc biệt là chu trình nhiệt (thermocycle). Sự biến đổi về nhiệt độ theo chu trình sẽ làm cho DNA biến tính (làm hai mạch DNA phân ly), bắt cặp của các bazơ nitơ của primer với các bazơ nitơ bổ sung trên mạch DNA và kéo dài mạch mới... Trình tự của primer và chu trình nhiệt được xác đinh phù hợp cho mỗi đoạn DNA cần nhân dòng. Xem chi tiết về kỹ thuật PCR căn bản của Cao Xuân Hiếu và bài viết trên wiki tiếng Việt [1].
Dựa trên nguyên tắc của PCR căn bản sử dụng các thermocycler (chúng ta hay gọi là các máy PCR) thông thường, các phương pháp PCR định lượng (quantitative PCR với các máy như Prism sequence detector, iCycler, Light Cycler) giúp xác định biểu hiện gene (gene expession ở mức RNA)...
Điện di trên gel
Là kỹ thuật dùng để tách các phân tử protein hay các đoạn DNA, RNA dựa trên sự khác nhau về khối lượng và điện tích của chúng. Vì mỗi phân tử protein hay nucleic acid đều mang điện tích nhất định nên nếu đặt chúng trong một điện trường chúng sẽ di chuyển. Các phân tử có kích thước lớn sẽ di chuyển chậm, các phân tử có kích thước nhỏ sẽ di chuyển nhanh hơn. Quá trình điện di có thể được thực hiện trên giấy điện di hay gel (điện di trên gel, thường là agarose gel). Nhờ có chất nhuộm thích hợp mà có thể biết được vị trí của các phân tử trên giấy hoặc trên gel. Nếu có mẫu chuẩn với các phân tử đã biết trước kích thước ta có thể kiểm tra được kích thước của nucleic acid đã được tách trên gel. [2]
Southern blotting
Trong kỹ thuật này, các đoạn DNA đã tách trên gel được "thấm" lên nitrocellulo filter để "lai" với các mẫu nucleic acid đã được đánh dấu. Từ kết quả "lai" có thể xác định và phân lập được doạn DNA mong muốn.
Northern blotting
Tương tự như Southern Blotting, kỹ thuật cho phép lai các đoạn RNA đã được tách trên gel với các mẫu đã được đánh dấu trong môi trường thích hợp để xác định các RNA mong muốn.
Western blotting
Sau khi các protein đã được tách trên gel, chúng được xác định bằng các kháng thể đã được biết trước.
Immunohistochemistry
Immunohistochemistry (hóa miễn dịch tổ chức) để xác định protein với sự có mặt của kháng thể.
Microarray
DNA microarray (gene chip, genome chip, DNA chip): Nguyên tắc chung của các phương pháp này cũng vẫn dựa trên phép "lai" DNA-DNA hay DNA-RNA giữa các mẫu DNA đã được đánh dấu gắn trên bề mặt cứng qua các liên kết hoá học. Phương pháp này cho kết quả định tính (sự biểu hiện của gene) hay định lượng (mức độ biểu hiện) và có thể thực hiện một lần với hàng ngàn gene. Đây là phương pháp tương đối mới, giá thành cao và thường được dùng cho các phòng thí nghiệm hay các dự án "có tiền". Tuy nhiên, kết quả cả nó có khi tạo thành một "ma trận" mà để giải nó lại tiếp tục phải sử dụng các phương pháp khác cùng nhiều thời gian và tất nhiên là cả tiền bạc!
Tóm lại, tất cả các phương pháp này đều nhằm xác định các thành phần (các giai đoạn) truyền thông tin di truyền hay gọi nôm na là "các yếu tố" trong học thuyết trung tâm. Thật là không có gì mới?...
