Thực phẩm biến đổi gen

Hơn một thập niên nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học nói chung và cây trồng chuyển gene nói riêng trên thế giới đã mở ra triển vọng lớn cho loài người trong việc giải quyết các vấ

Chủ đề:

THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE (GMF_ GENETICALLY MODIFIED FOOD) MỤC LỤC

A LỜI MỞ ĐẦU

B NỘI DUNG

I ĐỊNH NGHĨA VỀ THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE

I.1 Định nghĩa

I.2 Lịch sử của thực phẩm biến đổi gene

II MỤC ĐÍCH SẢN XUẤT THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE

III LỢI ÍCH CỦA THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE

III.1 Lợi ích của thực phẩm biến đổi gene

III.2 Những lo ngại về thực phẩm biến đổi gene

III.3 Phương hướng giải quyết những lo ngại về thực phẩm biến đổi gene

IV THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ AN TOÀN VỆ SINH THỰC PHẨM

V QUY TRÌNH CHUYỂN GENE VÀ PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT CẤU TRÚC CỦA GMF V.1 Quy trình chuyển gene

V.1.1 Quy trình chuyển gene gián tiếp

V.1.2 Quy trình chuyển gene trực tiếp

V.2 Phương pháp nhận biết cấu trúc của thực phẩm biến đổi gene

VI MỘT SỐ THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE TIÊU BIỂU

C KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

A LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, dân số thế giới đã tăng lên quá 6 tỷ người và dự kiến sẽ vượt quá 12 tỷ người sau 50 năm tới Vấn đề cung cấp đủ lương thực, thực phẩm cho nhân loại là một vấn đề rất lớn Có nhiều giải pháp được nhiều nước quan tâm, đặc biệt đó là việc mở rộng việc nghiên cứu và triển khai các loại thực phẩm biến đổi gene Hơn một thập niên nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học nói chung và cây trồng chuyển gene nói riêng trên thế giới đã mở ra triển vọng lớn cho loài người trong việc giải quyết các vấn đề an ninh lương thực môi trường và bảo vệ sức khoẻ con người

Thực phẩm biến đổi gene là một hướng nghiên cứu của các nhà khoa học nhằm đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng về mặt số lượng và chất lượng lương thực Một số thực phẩm xuất hiện từ thập kỷ

90 của thế kỷ trước với các cây như lúa mì, đậu tương, ngô, cà chua

I ĐỊNH NGHĨA VỀ THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE

I.1 Định nghĩa

Thực phẩm biến đổi gene (GMF) là những thực phẩm có vật liệu di truyền (DNA) đã được thay đổi một cách không tự nhiên như thông qua sự giới thiệu của một gene từ một sinh vật khác nhau

Hình: Các loại thực phẩm biến đổi gene I.2 Lịch sử của thực phẩm biến đổi gene

Theo đánh giá của Cơ quan dịch vụ quốc tế về tiếp thu các ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp, chỉ trong 15 năm sau khi thương mại hóa, cây trồng công nghệ sinh học biến đổi gene vượt 180 triệu ha Trong năm 2010, trong đó có 154 triệu nông dân ở 29 quốc gia hiện đang được hưởng lợi từ công nghệ mới này Với sự gia tăng 87 lần chưa từng có từ năm 1996 đến 2010, cây trồng công nghệ sinh học là công nghệ cây trồng được áp dụng nhanh nhất trong lịch sử của nông nghiệp hiện đại

- Các lĩnh vực thử nghiệm đầu tiên của thực vật biến đổi gene xảy ra ở Pháp và Mỹ trong năm1986,

ở cây thuốc lá được có khả năng đề kháng với thuốc diệt cỏ

- Năm 1987, Viện di truyền thực vật Ghent (Bỉ), được thành lập bởi MarcVan Montagu và

Jeff Schell, được các Công ty đầu tư để phát triển kỹ thuật di truyền trên cây thuốc lá với khả năng chịu

côn trùng bằng cách thể hiện gene mã hóa cho protein diệt côn trùng từ loài vi khuẩn BT (Bacillus thuringiensis).

- Trung Quốc là quốc gia đầu tiên cho phép thương mại hóa cây thuốc lá biến đổi gene kháng virus vào năm 1992

- Cây trồng biến đổi gene đầu tiên được chấp thuận cho bán tại Mỹ năm 1994 là cây cà chua

FlavrSavr có thời gian bảo quản lâu hơn

- Năm 1994, Liên minh Châu Âu (EU) đã phê chuẩn cây thuốc lá có khả năng chịu thuốc diệt cỏ bromoxynil, là cây trồng biến đổi gene đầu tiên trên thị trường ở Châu Âu

- Năm 1995, khoai tây biến đổi gene BT đã được phê duyệt an toàn của Cơ quan Bảo vệ môi trường,

là cây trồng thực phẩm biến đổi gene đầu tiên được chấp thuận tại Hoa Kỳ

- Năm 2009, có 25 quốc gia nghiên cứu, sản xuất, nhập khẩu cây trồng biến đổi gene, trong đó chủ yếu là các nước phát triển và đang phát triển (15 nước) Diện tích cây biến đổi gene khoảng 180 triệu

ha, trong đó Hoa Kỳ 62,5 triệu ha, Argentina 21 triệu ha, Brazil 15,8 triệu ha, Ấn Độ 7,6 triệu ha, Canada 7,6 triệu ha

II MỤC ĐÍCH SẢN XUẤT THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE

- Đáp ứng các nhu cầu về các sản phẩm từ thịt, sữa và trứng Tính đến năm 2020, nhu cầu trên toàn thế giới đối với các sản phẩm từ thịt cũng sẽ tăng hơn 55% so với mức tiêu thụ hiện đại, mà phần lớn là

ở các nước đang phát triển

- Đáp ứng nhu cầu về các loại thức ăn ngũ cốc cũng sẽ tăng theo Tính trung bình, để tạo ra 1kg thịt thì cần 3kg thức ăn chăn nuôi từ ngũ cốc và 1kg sữa thì cần khoảng 1kg thức ăn tương ứng

- Để mở rộng diện tích canh tác mà không gây ra những tác động bất lợi đối với môi trường là rất hạn chế nên việc sản xuất các loại thực phẩm hay thức ăn chăn nuôi từ ngũ cốc cần phải tăng năng suất

- Theo tính toán, đến giữa thập kỷ tới, thế giới sẽ có 8- 10 tỷ người, yêu cầu tổng lương thực, thực phẩm phải đạt tốc độ tăng trưởng ít nhất 40% đó là điều khó hiện thực trong tình trạng sản xuất như hiện nay Do đó sản xuất thực phẩm biến đổi gene để tăng năng suất, sản lượng và chất lượng của thực phẩm là hết sức cần thiết

III LỢI ÍCH CỦA THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE

III.1 Lợi ích của thực phẩm biến đổi gene

a Đối với đời sống

Thực phẩm đổi gene đã có những đóng góp tích cực cho quá trình phát triển bền vững qua các lĩnh vực sau:

- Đảm bảo an ninh lương thực và hạ giá thành lương thực trên thế giới

- Góp phần xoá đói giảm nghèo

- Giảm tác hại của các hoạt động nông nghiệp đối với môi trường

- Tăng hiệu quả sản xuất nhiên liệu sinh học

b Đối với chính bản thân thực phẩm biến đổi gene

- Cho năng suất cao

- Có các đặt tính tốt như kháng sâu bọ, chịu thuốc trừ cỏ, chịu dịch bệnh, chịu được điều kiện khắc nghiệt của môi trường, tăng dinh dưỡng

III.2 Những lo ngại về thực phẩm biến đổi gene

a Đối với sức khỏe con người

- Tăng khả năng gây dị ứng

- Làm nhờn kháng sinh

- Có thể tạo ra độc tố và gây độc lâu dài cho cơ thể

b Đối với đa dạng sinh học

- Phát tán những gene biến, làm tăng tính kháng sâu bệnh, thuốc diệt cỏ hoặc tăng khả năng gây độc của GMC đối với những loài sinh vật có ích

- Tạo nên côn trùng kháng thuốc diệt côn trùng do cây trồng tạo ra và gây thiệt hại cho cây trồng

- Làm ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn tự nhiên, ảnh hưởng đến đa dạng sinh học

- Gây mất đa dạng sinh học của vùng sinh thái, ảnh hưởng đến chu trình nitơ và hệ sinh thái của vi sinh vật đất

c Đối với môi trường

- Làm mất cân bằng hệ sinh thái và giảm tính đa dạng sinh học của loài cây được chuyển gene

- Làm lây lan gene kháng thuốc diệt cỏ trong quần thể thực vật, sinh các loại sâu mới kháng các loại GMF

III.3 Phương hướng giải quyết những lo ngại về thực phẩm biến đổi gene

a.Vấn đề môi trường

- Tạo cây không có phấn hoặc phấn không chứa gene biến đổi

- Tạo vùng đệm xung quanh khu vực trồng cây biến đổi gene

b Vấn đề sức khỏe

- Tạo ra hạt giống có khả năng “tự kết liễu”, công nghệ hạn chế sử dụng gene hay công nghệ triệt sản hạt cây

c Vấn đề kinh tế

- Những vấn đề đã nêu trên nếu được giải quyết sẽ hạ giá thành sản phẩm, tăng năng suất về sản lượng cũng như chất lượng… → kéo theo những vấn đề kinh tế cũng sẽ được giải quyết

IV THỰC PHẨM BIẾN ĐỔI GENE VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ AN TOÀN VỆ SINH THỰC PHẨM Bên cạnh những lợi ích cơ bản của GMF, theo nhiều nhà khoa học thế giới, loại thực phẩm này cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ ảnh hưởng lâu dài tới sức khỏe cộng đồng

- Ảnh hưởng đến hệ thống vi sinh vật trong hệ thống tiêu hóa

- Sinh ra độc tố trong thực phẩm biếm đổi gene

- Sinh ra chất gây dị ứng

- Thành phần dinh dưỡng trong thực phẩm biến đổi gene bị thay đổi: có thể giúp tăng lên một số thành phần dinh dưỡng nhất định

V QUY TRÌNH CHUYỂN GENE VÀ PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT CẤU TRÚC CỦA GMF

V.1 Quy trình chuyển gene gián tiếp

V.1.1 Các bước thực hiện chuyển gen

- Bước 1: Xác định gene liên quan đến tính trạng cần quan tâm

- Bước 2: Phân lập gene

- Bước 3: Gắn gen vào vector biểu hiện (expression vector) để biến nạp

- Bước 4: Biến nạp vào E.coli.

- Bước 5: Tách chiết DNA plasmid

- Bước 6: Biến nạp vào mô hoặc tế bào thực vật

- Bước 7: Phân tích thực vật chuyển gene

V.1.2 Một số phương pháp chuyển gene gián tiếp

a Phương pháp chuyển gene thông qua Agrobacterium

Phương pháp chuyển gene nhờ Agrobacterium chỉ có ở tế bào thực vật.

- Quy trình chuyển gene thông qua Agrobacterium (bên trái):

- Thuyết minh quy trình:

+ Xác định và cô lập đoạn gene cần chuyển

+ Thiết kế vecter mang gene biến nạp (ti plasmid)

+ Nhân (tách dòng) vector nhờ vi khuẩn E.coli.

+ Chuyển vector mang gene biến nạp T-plasmid từ vi khuẩn E.coli sang Agrobacterium.

+ Lây nhiễm Agrobacterium mang vector chứa gene biến nạp với tế bào/mô thực vật để tiến hành quá

trình chuyển gen biến nạp sang mô/ tế bào đích

+ Chọn lọc các tế bào/mô đã biến nạp thành công

+ Tái sinh mô/tế bào đã được biến nạp thành công thành cây biến nạp hoàn chỉnh (đánh giá sự biểu hiện của các gene biến nạp)

- Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp:

+ Ưu điểm:

• Gene ít bị đào thải

• Khả năng chuyển gene bền vững, hiệu quả chuyển gene cao

• Giảm tối thiểu sự không biểu hiện của gene được chuyển

• Tránh được sự hình thành của các cây chuyển gene khảm

• Kỹ thuật đơn giản, dễ thực hiện

• Không đòi hỏi thiết bị đắc tiền

+ Nhược điểm:

• Số bản sao của gene biến nạp được chuyển vào tế bào thực vật thấp

• Khả năng biến nạp giới hạn

• Hiệu quả chuyển gene của cây một lá mầm còn thấp như lúa, ngô, lúa mỳ

b Phương pháp chuyển gene thông qua virus

b.1 Chuyển gene thông qua virus ở tế bào thực vật

- Ngoài việc sử dụng vi khuẩn, người ta còn sử dụng virus là vector chuyển gene vào cây trồng.Các

loại virus được sử dụng hiện nay: Caulimovirus và Geminivirus Tuy nhiên, làm vector chuyển gene

cần phải đạt các tiêu chuẩn sau:

+ Hệ gene virus phải là DNA

+ Virus có khả năng di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác qua các lỗ ở vách tế bào

+ Có khả năng mang đoạn DNA mới sau đó chuyển gene này vào tế bào thực vật

+ Có phổ ký chủ rộng (trên nhiều loại cây)

+ Không gây tác hại đáng kể cho thực vật

- Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp:

+ Ưu điểm:

• Dễ xâm nhập và lây lan nhanh trong cơ thể vật chủ

• Có khả năng mang đoạn DNA lớn so với khả năng của plasmid

+ Nhược điểm:

• DNA virus khó ghép nối với hệ gene của thực vật → DNA tái tổ hợp không truyền cho thế hệ sau

• Lây nhiễm virus thường làm yếu tế bào thực vật ở các mức độ khác nhau

→ Không sử dụng phổ biến

b.2 Chuyển gene gián tiếp thông qua trung gian virus ở động vật

Phương pháp chuyển gene thông qua trung gian virus mediated là biện pháp chuyển gene khá đặc hiệu

để chuyển gene vào đối tượng nhận

- Nguyên lý: Khi xâm nhập vào tế bào vật chủ, virus thường xuyên chuyển một đoạn gene của nó vào

tế bào vật chủ và bắt tế bào vật chủ phải tổng hợp nguyên liệu cho nó

- Quy trình chuyển gene:

- Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp

+ Ưu điểm:

• Nguyên lý của phương pháp khá đơn giản

• Không làm thay đổi hoạt động của gene cũ của cơ thể

• Hiểu quả chuyển gene cao, được biểu hiện mạnh trong tế bào chủ

+ Nhược điểm:

• Tạo ra virus mới, lan truyền các thành phần của virus để tạo ra một loại virus mạnh hơn, nguy hiểm hơn

• Thao tác phức tạp

VI.2 Một số phương pháp chuyển gene trực tiếp

Chuyển gene trực tiếp: là sử dụng các phương pháp nhằm đưa DNA mong muốn trực tiếp vàp tế bào thực vật, tỉ lệ thành công rất thấp do tế bào thực vật có vách xenluloze dày

a Nhờ hóa chất

- Là phương pháp chuyển gene vào tế bào trần (protoplast) nhờ các chất hóa học như polyethylen glycol (PEG)

- Khi có mặt PEG, màng của protoplast bị thay đổi và protoplast có thể thu nhận DNA ngoại lai vào bên trong tế bào

- Ưu- nhược điểm:

+ Ưu điểm:

• Phương pháp chuyển gene bằng hóa chất có thể áp dụng với nhiều loại tế bào thực vật

• Cùng một lúc có thể chuyển gene được vào nhiều tế bào

• Hiệu quả chuyển gene cao, ổn định

• Không đòi hỏi thiết bị đắt tiền

+ Nhược điểm:

• Tần số chuyển gene thấp do không kiểm soát được quá trình chuyển gene

• Quá trình biến nạp khó điều khiển

• Dễ dẫn đến hiện tượng dung hợp của các tế bào trần , gây khó khan cho việc phân tích biểu hiện gene

b Chuyển gene qua ống phấn:

- Là phương pháp chuyển không qua nuôi cấy invitro, được sử dụng trong chuyển gene thực vật

- Nguyên tắc cuả phương pháp: DNA ngoại lai chuyển vào cây theo đường ống phấn, chui vào bầu nhuỵ cái Thời gian chuyển gene là vào lúc hạt phấn mọc qua vòi nhụy và lúc đưa tinh tử vào thụ tinh

- Ưu- nhược điểm:

+ Ưu điểm: hiệu suất cao

+ Nhược điểm:

• Đòi hỏi thao tác, kĩ thuật cao

• Khó xác định đựơc thời điểm chuyển gen

c Chuyển qua trung gian tinh trùng (sperm mediated)

- Là phương pháp được dụng để chuyển gene động vật

- Quy trình

* Giải thích:

- Sơ đồ A: Tinh trùng đa rửa ủ với DNA được sử dụng để thụ tinh in vivo hoặc in vitro

- Ưu - nhược điểm:

+ Ưu điểm:

• Phương pháp đơn giản

• Tinh trùng còn khả năng thụ tinh

+ Nhược điểm:

• Gen đa hợp nhất thường bất hoạt do sự sắp xếp lại DNA

• Hiệu quả chuyển gene không cao

- Sơ đồ B:

+ Màng tinh trùng bị tổn thương bởi chất tẩy nhẹ DNA ngoại lai đi vào tinh trùng một cách tự do

+ Các tinh trùng này được sử dụng để thụ tinh in vitro bằng phương pháp ICSI.

- Ưu - nhược điểm:

+ Ưu điểm: làm tăng cơ hội hợp nhất DNA ngoại lai vào genome của phôi

+ Nhược điểm: tinh trùng mất khả năng tự thụ tinh

d Chuyển gene bằng sử dụng tế bào gốc (stem cell)

- Đây là phương pháp chủ yếu được sử dụng trong chuyển gene động vật

- Các tế bào gốc phôi (tế bào phôi ở giai đoạn 16-32 tế bào) là các tế bào đa năng (totipotent), có thể phân hoá thành bất kỳ loại mô nào và từ đó sẽ tạo nên cơ thể hoàn chỉnh

- Quy trình:

* Giải thích:

+ Tách chiết các tế bào phôi gốc từ các túi phôi nuôi cấy in vitro

+ Biến nạp gene ngoại lai vào những tế bào phôi đã tách chiết

+ Đưa tế bào đã được biến nạp gene lạ vào phôi khác ở giai đoạn phôi nang để tạo ra động vật chuyển gene thể khảm

- Ưu- nhược điểm của phương pháp:

+ Ưu điểm:

• Tỉ lệ phôi sống sót sau thao tác, sự tích hợp và biểu hiện tính trạng của gene mới khá cao

• Cho phép tạo ra một cách chính xác các đột biến gen xác định bằng tái tổ hợp đồng dạng

• Việc chuyển gene có thể được tiến hành thông qua sự thao tác với phôi dâu và túi phôi Phôi ở các giai đoạn này có thể thu nhận mà không cần phẫu thuật (đặc biệt là đối với bò), do vậy công việc chuyển gene được tiến hành rất dễ dàng

+ Nhược điểm:

• Thao tác đòi hỏi kĩ thuật cao

• Phương pháp này có ý nghĩa đặc biệt đối với sự nghiên cứu kiểm tra di truyền của các quá trình phát triển

5

Bằng súng bắn gene:

- Nguyên lý:

+ Ngâm những vi đạn với dung dịch có chứa đoạn DNA ngoại lai cần chuyển

+ Các vi đạn này được làm khô trên một đĩa kim loại mỏng.

+ Đĩa này được gắn vào đầu một viên đạn lớn có kích thước vừa khít đầu nong súng bắn gene + Khi bắn, viên đạn lớn bị giữ lại còn vi đạn xuyên vào tế bào

+ Sau khi bắn, tách các mô, tế bào và nuôi cấy invitro để tái sinh

- Ưu- nhược điểm:

+ Ưu điểm:

• Thao tác dễ dàng

• Có thể chuyển vào nhiều loại tế bào và mô

• Các tế bào được biến nạp có tỉ lệ sống cao, cho phép đưa các gene vào tế bào ở vị trí mong muốn

+ Nhược điểm:

• Thiết bị đắt tiền

• Tần số biến nạp ổn định thấp

e Bằng xung điện

- Nguyên lý:

- Chuyển gene vào protoplast thực vật

- Ở điện thế cao, trong thời gian ngắn có thể tạo

ra các lỗ trên màng protoplast làm cho DNA bên

ngoài môi trường có thể xâm nhập vào bên trong

tế bào

-Người ta chuẩn bị protoplast với các plasmid tái

tổ hợp đã mang gene mong muốn cần chuyển

vào thực vật

- Kết qủa là màng tế bào xuất hiện các lỗ thủng

tạm thời giúp cho các plasmid tái tổ hợp có thể

xâm nhập vào hệ gene của tế bào thực vật quá

trình này được thực hiện trong cuvet chuyện

dụng

- Sau khi xung điện đem protplast nuôi cấy trong

môi trường thích hợp, môi trường chọn lọc để

tách các protplast đã được thực biến nạp sau đó

nuôi cấy invitro, tái sinh cây và chọn lọc câu

chuyển gene

-là một phương pháp cơ học được sử dụng để đưa các phân tử phân cực vào trong tế bào chủ qua màng tế bào

-Trong phương pháp này, một xung điện cao thế trong khoảnh khắc (vài phần nghìn giây) có khả năng làm rối loạn cấu trúc màng kép phospholipid, tạo ra các lỗ thủng tạm thời cho phép các phân tử DNA ngoại lai từ môi trường xâm nhập vào bên trong tế bào

Hình ảnh dùng xung điện tạo lỗ thủng trên màng tế bào

- Ưu- nhược điểm:

+ Ưu điểm: phương pháp áp dụng được đối với hiều lọai thực vật

+ Nhược điểm:

• Tỉ lệ các tế bào được chuyển gene còn thấp

• Sức sống của tế bào giảm đột ngột, khó phục hồi

• Phương pháp có tỷ lệ tế bào chết cũng khá nhiều và một một loại tế bào cũng cần đòi hỏi biện pháp tiền xử lý thích hợp

f Chuyển gene bằng phương pháp vi tiêm

- Nguyên lý: là một lượng nhỏ DNA được tiêm trực tiếp vào nhân tế bào phôi trần hoặc tế bào nguyên vẹn một cách cơ học dưới kính hiển vi

Hình ảnh chuyển gene bằng vi tiêm

- Ưu- nhược điểm:

+ Ưu điểm:

• Có thể tối ưu lượng DNA đưa vào tế bào

• Có thể đưa một cách chính xác thậm chí vào tận nhân và có thể quan sát được

• Các tế bào có cấu trúc nhỏ như hạt phấn và tế bào tiền phôi mặc dù hạn chế về số lượng cũng có thể tiêm chính xác

• Quyết định được đưa DNA vào loại tế bào nào

• Có thể nuôi riêng lẻ các tế bào vi tiêm và biến nạp được vào mọi giống cây

• Phương pháp có tỷ lệ tế bào chết cũng khá nhiều và một một loại tế bào cũng cần đòi hỏi biện pháp tiền xử lý thích hợp

+ Nhược điểm:

• Mỗi lần tiêm chỉ được một phát tiêm và chỉ với một tế bào

• Thao tác trong khi làm đòi hỏi độ chính xác cao

• Do đòi hỏi phải tinh vi, tỉ mỉ và cực kỳ chính xác