Từ G.J. Mendel tới Công nghệ chuyển gene

Tuổi thơ, tuổi trẻ và thân thế của Gregor Johann Mendel

Thuở nhỏ Mendel làm việc như một thợ làm vườn trong một nông trại của gia đình và ông nghiên cứu về cách nuôi ong. Khi đó học lực của ông tốt, do đó một giáo sĩ cùng quê đã để mắt đến ông. Song, để đi học ông cũng phải làm việc do số tiền cha mẹ cung cấp cho Mendel không được bao nhiêu. Tốt nghiệp trung học với tấm bằng xuất sắc, Mendel được Nhà thờ chọn đi học về triết học. Vì nhà quá nghèo nên năm 21 tuổi ông phải tạm bỏ học. Năm 1840 ông vào Viện Triết học Olomouc để tiếp tục đi học. Sau hai năm học, ông chán nản vì thiếu tài chính nên cuối cùng ông nghe lời một trong các giáo sư của ông là nhờ cha cố Napp giới thiệu ông vào dòng tu để có thể tiếp tục học. Bốn năm sau, ông trở thành linh mục. Từ lúc vào dòng tu, ông hài lòng vì có đủ điều kiện để nghiên cứu về khoa học tự nhiên. Song song với việc học, ông đi dạy các trường trung học. Nhưng năm 1849 đạo luật  bắt các giáo sư phải có ngạch đại học. Nhờ cha cố Napp giúp, năm 1851 Mendel được vào Ðại học Vienna để tiếp tục học. Ông được học các môn toán, vật lý, hóa, thực vật học và động vật học. Năm 1853 ông tốt nghiệp đại học và lại trở về tu viện ở quê nhà. Khi trở về Vienna , Mendel lập ra một vườn  khảo cứu và bắt đầu những thí nghiệm về sự lai giống. Năm 32 tuổi ông được cử làm giáo viên của Trường Cao đẳng thực hành ở Brunn (nay là Brno thuộc nước Cộng hòa Czech).

Vườn thực nghiệm của Mendel ở sân của Tu viện Brunn

Ông được coi là “cha đẻ của di truyền hiện đại” vì những nghiên cứu của ông về đặc điểm di truyền của đậu Hà Lan. Từ 1856 đến 1863, Mendel đã thí nghiệm trên nhiều loại đối tượng nhưng công phu nhất là trên đậu Hà Lan (có hoa lưỡng tính tự thụ phấn nghiêm ngặt). Ông đã trồng khoảng 37.000 cây, tiến hành lai để nghiên cứu 7 cặp tính trạng thuộc 22 giống đậu trong 8 năm liền, phân tích trên một vạn cây lai và khoảng 30.000 hạt. Từ đó ông đã xây dựng 3 định luật di truyền trên cơ sở các thực nghiệm, quan sát và xử lý chặt chẽ về mặt toán học và được ông công bố năm 1865. Ngày nay chúng ta gọi là Định luật Mendel bao gồm Định luật đồng tính F1, Định luật phân tính F2 và Định luật phân li độc lập.

Cách nghiên cứu của ông là cho nhân giống theo từng tính trạng, sử dụng toán học để đánh giá số lượng và từ đó rút ra quy luật di truyền. Dù các quy luật này chỉ quan sát được cho số ít tính trạng, nhưng Mendel vẫn tin rằng sự di truyền là riêng rẽ, không phải tập nhiễm và tính di truyền của nhiều tính trạng có thể được diễn giải thông qua các quy luật và tỷ lệ đơn giản.

Các nghiên cứu của ông được công bố trong bài báo “Versuche über Pflanzenhybriden“ (Các thí nghiệm lai ở thực vật) tại Hội Lịch sử Tự nhiên của Brunn năm 1865 và gửi cho các cơ quan khoa học trên thế giới nhưng không được ai chú ý đến cả. Thế giới khoa học lúc bấy giờ chưa sẵn sàng để công nhận điều quan trọng của những kết quả mà ông đã tìm ra. Nội dung định luật của ông tuy rất đơn giản nhưng đã đặt nền móng cho ngành di truyền học.

Sau đó, ông vẫn miệt mài vừa dạy học, vừa truyền đạo và vừa tiếp tục làm thực nghiệm trong vườn của Tu viện. Năm 1868 ông được phong chức Tổng Giám mục. Ông còn là người sáng lập ra Hội nghiên cứu Thiên nhiên và Hội Khí tượng học của thành phố Brunn. Năm 57 tuổi, ông được cử làm Giám đốc Tu viện. Ngày 6-1-1884 ông qua đời sau một tai biến do viêm thận, thọ 62 tuổi. Khi ông còn sống, ý nghĩa và tầm quan trọng trong các công trình nghiên cứu của ông không được công nhận và người ta cũng không quan tâm đến các nghiên cứu của ông. Khi qua đời, Mendel để lại dấu hỏi lớn cho các nhà khoa học trong thời kỳ này.

Mãi đến năm 1900 đã xảy ra một sự kiện quan trọng: ba nhà khoa học Hugo de Vries người Hà Lan, Carl Correns người Đức và Erich von Tschermak người Áo, làm việc độc lập với nhau, đã tình cờ đọc được các báo cáo của Mendel. Họ tiến hành lặp lại các thí nghiệm thực vật và đều nhận thấy tính đúng đắn của Định luật Mendel. Như vậy, sự ra đời của Di truyền học được gắn với hai sự kiện quan trọng: năm 1865 với sự công bố kết quả nghiên cứu của Mendel và năm 1900 với sự khẳng định tính đúng đắn các kết quả đó từ phía các nhà khoa học khác. Mendel được tôn vinh là cha đẻ của ngành Di truyền học.

Sau này tại Pháp có nhà khoa học Cunio và Hà Lan có nhà khoa học Bateson đã đem các định luật của Mendel để áp dụng vào sự lai giống cho động vật (chuột) và thấy kết quả cũng giống như thực vật (đậu Hà Lan).   

Công nghệ chuyển gene

Kể từ khi các kết quả nghiên cứu của Mendel được công bố (năm 1865) và được công nhận (năm 1890) đến nay đã hơn 100 năm và gần 150 năm. Khoa học, kỹ thuật và công nghệ thế giới đã phát triển rất xa và đã mang lại các ứng dụng rất cụ thể. Đến nay người ta đã có thể không những nhận dạng được mối quan hệ giữa gene và các tính trạng mà còn có thể can thiệp làm thay đổi cấu trúc gene của các cơ thể sinh vật dẫn đến các thay đổi về tính trạng của chúng. Một ngành khoa học-công nghệ mới hình thành: Khoa học-công nghệ chuyển gene (Genetical modification) và mang lại các sản phẩm là các sinh vật chuyển gene (thông thường được gọi bằng tiếng Anh là genetically modified organism – viết tắt là GMO, hoặc còn có tên là genetically enginnered organism – viết tắt là GEO).

Bảng thống kê 7 tính trạng trong các thí nghiệm của Mendel

Trong khoảng 100 năm nay Khoa học-Công nghệ Di truyền học đã có những phát triển vô cùng mạnh mẽ. Có thể nêu một vài mốc chính sau đây:
* 2.000 năm trước Công nguyên: Loài người bắt đầu hoạt động trồng cấy
* Thế kỷ 19: Tuyển chọn thông qua lai chéo
* Đầu Thế kỷ 20: Tuyển chọn thông qua đột biến (bằng phóng xạ, hóa chất hoặc tia cực tím)
* 1930: Biến đổi Soma
* 1940: Giải cứu phôi thai
* 1950: Sinh gene đa phôi thai
* 1970: Nuôi cấy bao phấn
* 1980: DNA tái tổ hợp, tuyển chọn với sự hỗ trợ của marker
* 1990: Hệ gene
* 2000: Tin sinh học

Bảng tiến trình trên cho thấy trong 100 năm, thậm chí 50 năm, gần đây loài người đã đi xa bao nhiêu so với gần 4000 năm lịch sử trong lĩnh vực này.

Về nguyên tắc sinh vật chuyển gene là một cơ thể sinh vật mà bộ gene của nó bị thay đổi bằng các kỹ thuật gene. Các kỹ thuật này có tên gọi chung là công nghệ DNA tái tổ hợp, trong đó sử dụng các phân tử DNA từ các nguồn khác nhau được kết hợp lại vào một phân tử để tạo ra một tập hợp gene mới. Phân tử DNA tái tổ hợp này sau đó được đưa vào một sinh vật bằng các kỹ thuật gene và tạo cho sinh vật đó bộ gene mới đã được chuyển đổi. Như vậy các sinh vật chuyển gene đã có các phân tử DNA mới được cài vào có nguồn gốc từ các loài khác.
 Các kỹ thuật chuyển gene đã có thể trở thành hiện thực nhờ việc phát hiện ra DNA và cấu trúc của nó. Trên cơ sở này đã tạo ra vi khuẩn tái tổ hợp đầu tiên vào năm 1973. Đó là vi khuẩn E. coli có biểu hiện gene Salmonella ngoại lai (expressing an exogeneic Salmonella gene). 

Cấu trúc DNA

Để chuyển gene (cài gene mới) người ta sử dụng nhiều phương pháp, trong đó hai phương pháp hiện được sử dụng rộng rãi nhất là sử dụng súng bắn hạt phủ gene hoặc sử dụng vector khuẩn.

DNA là một chuỗi các gene giống như chuỗi hạt ngọc. Phương pháp nhân giống truyền thống kết hợp một lúc nhiều gene.

Súng bắn hạt phủ gene sử dụng các hạt rất nhỏ bằng vàng hoặc tungsten. Các hạt này được phủ DNA mà người ta mong muốn chuyển vào cơ thể nhận. Các hạt nhỏ này được nạp vào ống súng. Khi kéo cò súng một viên đạn đặc biệt (được làm bằng chất dẻo) được phủ các hạt nhỏ nạp vào súng. Viên đạn bằng chất dẻo đục một lỗ nhỏ trên tấm kim loại ở cuối ống súng. Các hạt nhỏ bay qua lỗ nhỏ đó với tốc độ rất lớn và chui vào tế bào. Khi hạt nhỏ đó chui qua tế bào nó để lại ở đó lớp phủ DNA. Để tin chắc rằng các DNA mới đã thực sự cài vào DNA của cơ thể nhận thì người ta phải đánh dấu bằng các đoạn gene có chức năng kháng kháng sinh. Sau đó người ta cho các tế bào đã cài gene mới sinh trưởng trong môi trường có kháng sinh đó. Nếu tế bào đó phát triển tức là tế bào đó đã có gene kháng với kháng sinh đó. Như vậy việc cài gene mới đã thành công.

Súng bắn gene

Một phương pháp nữa được sử dụng rộng rãi là chuyển gene mới thông qua các vector. Vector được sử dụng phổ biến nhất là vi khuẩn Agrobacterium tumefa ciens. Plasmid của khuẩn này có tên là Ti plasmid (Tumor Inducing plasmid). Ti plasmid này có chứa vùng khởi nguồn các sao chép của đoạn T- ADN. Đoạn T-ADN mã hoá các gene tạo khối u và gene sử dụng nopaline. Khi plasmid này được đưa vào cây, vùng tạo khối u sẽ làm cho khối u tăng trưởng không kiểm soát được trong một quá trình có tên gọi là Crown Gall Disease. Sự lớn lên của khối u này cho phép Ti plasmid lan truyền trong cây muốn chuyển gene. Sau đó các vùng T-DNA sẽ chuyển từ Ti plasmid và cài ngẫu nhiên vào hệ gene của cây muốn chuyển gene. Trong quá trình này DNA mới có chứa các gene có các tính trạng mong muốn cũng sẽ chuyển vào hệ gene của cây muốn chuyển gene.

Tỷ lệ % và diện tích trồng các loại cây chuyển gene chính (triệu ha)

Tuy nhiên các thành công trong lĩnh vực này đã dẫn đến các quan ngại sâu sắc trong giới khoa học về các rủi ro có thể phát sinh từ công nghệ gene. Năm 1986 các thử nghiệm ngoài ruộng một loại vi khuẩn chuyển gene nhằm tạo cho cây trồng khả năng chịu rét tại một công ty nhỏ có tên là Advanced Genetic Sciences ở Oakland, California, Hoa Kỳ đã phải hoãn lại do bị phản đối. Cùng năm đó công ty Monsanto cũng phải bỏ một cuộc thử nghiệm ngoài ruộng cho một protein có khả năng chống côn trùng gây hại.

Diện tích canh tác sử dụng công nghệ sinh học toàn cầu Triệu ha (1996-2005)

Để giải quyết tình trạng này từ cuối những năm 80 và đầu những năm 90 thế kỷ trước, các tổ chức FAO và WHO đã đưa ra các chỉ dẫn về an toàn cho cây trồng và thực phẩm chuyển gene. Nhờ có các chỉ dẫn đó các thử nghiệm trên diện rộng các cây trồng chuyển gene đã được bắt đầu ở Mỹ và Canada và đến giữa những năm 90 thì lần đầu tiên đã có được phê duyệt cho việc sản xuất thương mại ở quy mô lớn và canh tác cây trồng chuyển gene đã được thực hiện với tốc độ tăng nhanh hằng năm.

Mức độ tăng trồng cây chuyển gene trong vòng 10 năm từ 1996 tới 2005: 21 nước trồng cấy chuyển gene. Tổng diện tích trên toàn thế giới: hơn 90 triệu ha (màu da cam), trong đó các nước công nghiệp là đường màu xanh lá cây và các nước đang phát tiển là đường màu xanh lam. Riêng năm 2004 đến năm 2005 tăng 11%.

Theo International Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications (ISAAA), năm 2009 có khoảng 14 triệu nông dân trồng các loại cây chuyển gene, 90% trong số đó là nông dân nghèo ở các nước đang phát triển. 7 triệu người trồng bông chuyển gene ở Trung Quốc, 5,6 triệu người trồng bông chuyển gene ở Ấn Độ, 250,000 người trồng bông, ngô, đậu tương chuyển gene ở Philippines và Nam Phi và có thêm khoảng 12 nước đang phát triển khác cũng đang trồng các loại cây chuyển gene. Giá trị thương mại của các loại nông sản chuyển gene đạt khoảng 130 tỷ USD trong 2008.

Làm sao biết được các quả này có phải là sản phẩm chuyển gene không

Công nghệ chuyển gene được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu sinh học và y học, sản xuất dược phẩm, các thí nghiệm y-sinh học và nông nghiệp. Hiện nay việc ứng dụng các công nghệ chuyển gene đã đạt tới mức phải có bản quyền, đặc biệt là trong sản xuất nông nghiệp với việc tạo ra các giống cây trồng thương mại có nhiều tính trạng đặc biệt. Một trong số các công ty có nhiều patent nhất trong lĩnh vực cây trồng là công ty Monsanto của Mỹ. Năm 2007 các giống cây trồng chuyển gene do Monsanto cung cấp được trồng trên diện tích khoảng 1.000.000 km2 trên khắp thế giới và họ giữ tốc độ tăng 13%/năm. Năm 2008, nông dân ở Mỹ trồng khoảng 130.000 km2 loại ngô chuyển gene ba bắp. Họ cũng trồng khoảng 20.000 km2 giống bông chuyển gene. Tuy nhiên các patent đầu tiên của Monsanto sẽ bắt đầu hết hạn bảo hộ vào năm 2014. Đây cũng là cơ hội cho các nước đi sau tiếp cận ứng dụng và phát triển công nghệ này với chi phí thấp.

Công nghệ chuyển gene ngày nay đã trở thành phổ biến rộng. Về nguyên tắc trồng cây chuyển gene nhắm tới việc tăng sản lượng, tăng lợi nhuận và mang lại các yếu tố tích cực cho môi trường. Tuy nhiên việc áp dụng trồng các loại cây chuyển gene cũng gây nhiều quan ngại về mặt sinh học, đạo đức và môi trường.

Các tranh cãi về mặt ưu việt và mặt hạn chế của công nghệ chuyển gene có thể kéo dài mãi mãi vì không thể có công nghệ nào chỉ mang lại những điều tốt đẹp.

Ví dụ, người ủng hộ cho rằng cây trồng chuyển gene làm tăng sản lượng và do đó sẽ là nguồn lương thực bảo đảm cho dân số thế giới ngày càng tăng; người phản đối thì cho rằng thế giới không hề thiếu lương thực mà vấn đề lại ở cơ chế phân phối.

Người ủng hộ nhấn mạnh đến chu trình tăng trưởng nhanh; người phản đối thì lại cho rằng chu trình tăng trưởng nhanh không phù hợp với tập quán thời vụ và các truyền thống văn hóa khác.

Người ủng hộ cho rằng cây sẽ chịu được việc sử dụng nhiều hơn và đa dạng hơn các loại thuốc bảo vệ thực vật (thí dụ như khả năng chống chịu các loại thuốc trừ cỏ); người phản đối thì lại cho rằng sự lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật sẽ dẫn đến tồn dư trong thực phẩm.

Người ủng hộ cho rằng công nghệ chuyển gene sẽ giúp nông dân trồng được nhiều loại cây vốn có nguồn gốc từ các vùng khí hậu và điều kiện môi trường khác; người phản đối thì cho rằng việc này sẽ dẫn đến sự phụ thuộc của người nông dân vào các nhà phát triển giống bằng công nghệ chuyển gene.

Dừng lại! Coi chừng. Quả dâu này là chuyển gene?

Người ủng hộ cho rằng cây chuyển gene sẽ cho sản phẩm với các chức năng, hương vị, màu sắc, hình dạng mới; người phản đối thì cho rằng cây chuyển gene làm mất đi yếu tố tự nhiên vốn có trong sản phẩm và họ có quyền được biết thực phẩm của họ có nguồn gốc thế nào, chứa những chất gì.

Như thế cuộc tranh cãi không bao giờ dừng. Nhìn lên bản đồ phân bố cây trồng chuyển gene ta cũng thấy được xu hướng ủng hộ và phản đối cây trồng chuyển gene trên thế giới. Theo nhiều đánh giá thì ẩn chứa đằng sau các luận điểm đó là các lợi ích tài chính. Những nước đang nắm trong tay lợi thế công nghệ, kỹ thuật, thị trường thì ca ngợi và ủng hộ, còn những nước ở thế yếu thì phản đối để tự bảo vệ.

Trên thị trường tiêu thụ, ngoài các quy định đối với sản phẩm chuyển gene thì người ta trông chờ vào nhận thức của người tiêu dùng. Ngày nay người ta quy định trên các sản phẩm đó phải ghi rõ là có nguồn gốc chuyển gene. Khi đó người tiêu dùng tự quyết định. Nhưng đâu có phải người tiêu dùng nào cũng “thông thái”. Để thận trọng họ quay lại sản phẩm truyền thống, tự nhiên là hơn.

Cây trồng chuyển gene - một tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ với những ảnh hưởng to lớn và lâu dài. Tiến bộ này lợi hay hại và chúng ta phải có ứng xử thế nào - vấn đề này rất cần có câu trả lời.