Giải chi tiết chuyên đề Sinh học 12 Cánh diều bài 1: Thành tựu và nguyên tắc ứng dụng của sinh học phân tử

BÀI 1. THÀNH TỰU VÀ NGUYÊN TẮC ỨNG DỤNG CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ

Mở đầu: Tại sao có thể xác định chính xác tội phạm khi thu được mẫu máu tại hiện trường vụ án? Kể tên một số kĩ thuật sinh học phân tử được ứng dụng trong thực tiễn.

Bài làm chi tiết:

- Có thể xác định chính xác tội phạm thông qua mẫu máu thu được tại hiện trường vụ án là nhờ vào các kỹ thuật sinh học phân tử tiên tiến. Các kỹ thuật này cho phép phân tích DNA từ mẫu máu và so sánh với DNA của các nghi can hoặc những người có liên quan.

- Một số kĩ thuật sinh học phân tử được ứng dụng trong thực tiễn: PCR (Polymerase Chain Reaction), RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism), STR Analysis (Short Tandem Repeat Analysis), NGS (Next-Generation Sequencing).

I. KHÁI NIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ

Câu 1: Đối tượng nghiên cứu của sinh học phân tử là gì?

Bài làm chi tiết:

Đối tượng nghiên cứu của sinh học phân tử là các đại phân tử sinh học, chủ yếu là nucleic acid và protein; các quá trình, cơ chế liên quan trọng tế bào sống; các kĩ thuật thao tác trên các đại phân tử này để nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn.

II. MỘT SỐ THÀNH TỰU HIỆN ĐẠI VỀ LÝ THUYẾT SINH HỌC PHÂN TỬ

Câu 1: Quan sát hình 1.1, mô tả một số thành tựu lí thuyết của sinh học phân tử. 

Bài làm chi tiết:

Một số thành tựu lí thuyết của sinh học phân tử:

- Năm 1953: Đề xuất mô hình cấu trúc xoắn kép của phân tử DNA.

- Năm 1958: Đề xuất thuyết trung tâm của sinh học phân tử.

- Năm 1961: Tìm ra mã di truyền và đề xuất cơ chế điều hòa phiên mã của gene.

- Năm 1962 - 1970: Dự đoán và tách chiết enzyme giới hạn.

- Năm 1972 - 1973: Tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp đầu tiên.

- Năm 1977: Phát minh ra kĩ thuật giải trình tự.

- Năm 1985: Phát minh ra kĩ thuật PCR.

- Năm 1990 - 2003: Giải mã trình tự hệ gene người.

Câu 2: Quan sát hình 1.2 và mô tả thuyết trung tâm. Nêu ý nghĩa của thuyết trung tâm.

Bài làm chi tiết:

Thuyết trung tâm của sinh học phân tử mô tả các nguyên lí cơ bản của quá trình lưu trữ và truyền thông tin di truyền từ DNA tới protein qua trung gian RNA. Thuyết trung tâm được bổ sung quá trình truyền thông tin từ RNA đến DNA (quá trình phiên mã ngược).

Câu 3: Kĩ thuật PCR có ứng dụng như thế nào trong đời sống?

Bài làm chi tiết:

PCR có nhiều ứng dụng rộng rãi từ nghiên cứu khoa học, đến sản xuất và đời sống như xét nghiệm bệnh di truyền, xác định đột biến ung thư, xét nghiệm thực phẩm, vi sinh, bệnh trên động vật, chọn tạo giống cây trồng,...

Luyện tập: Lấy ví dụ ứng dụng của kĩ thuật PCR trong thực tiễn.

Bài làm chi tiết:

Ví dụ:

- Xét nghiệm PCR chẩn đoán bệnh do virus không thể nuôi cấy.

- Ứng dụng PCR trong các xét nghiệm sàng lọc phát hiện ung thư nhờ phát hiện các gen, virus bất thường như ung thư cổ tử cung, u xơ thần kinh, ung thư đại tràng, u Lympho,...

- Nghiên cứu về hệ kháng nguyên bạch cầu người.

- Phát hiện vi khuẩn kháng thuốc như S.aureus - MRSA, Carbapenemase,…

- Góp phần vào nghiên cứu công nghệ sinh học, cụ thể là ứng dụng trong lập bản đồ gen, giải mã trình tự ADN, phát hiện gen, dòng hóa gen,…

III. MỘT SỐ THÀNH TỰU VỀ ỨNG DỤNG CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ

Câu 1: Sinh học phân tử có ứng dụng trong các lĩnh vực của đời sống như thế nào?

Bài làm chi tiết:

Sinh học phân tử được ứng dụng trong các lĩnh vực của đời sống:

- Y học, dược học: ứng dụng trong chẩn đoán phân tử, liệu pháp gene, y học cá nhân, dịch tễ học phân tử.

- Nông, lâm nghiệp: giải mã hệ gene cây trồng, vật nuôi; tạo sinh vật biến đổi gene; chẩn đoán và quản lí bệnh hại; bảo tồn nuồn gene quý hiếm.

- Bảo vệ môi trường: Nhiều chủng vi khuẩn biến đổi gene được sử dụng để xử lí tác nhân gây ô nhiễm môi trường; cây trồng chuyển gene kháng thuốc diệt cỏ, kháng thuốc trừ sâu giúp giảm việc thải thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu vào môi trường. Sinh vật chuyển gene có khả năng cố định nitrogen giúp giảm sử dụng phân bón hoá học trong trồng trọt.

- Công nghiệp: Các vi sinh vật tái tổ hợp mang các gene mã hoá enzyme, hợp chất hoá học cần thiết trong công nghiệp. Một số vi khuẩn hoặc nấm men tái tổ hợp sản xuất chất thơm. Các kĩ thuật sinh học phân tử được dùng để kiểm tra thực phẩm nhiễm khuẩn.

- Năng lượng: Các vi khuẩn tái tổ hợp hay thực vật chuyển gene có khả năng sản xuất sinh khối nhanh là nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, giúp giảm sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Vi khuẩn tái tổ hợp nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu vi sinh vật.

Câu 2: Quan sát hình 1.4, mô tả ứng dụng liệu pháp gene trong y học.

Bài làm chi tiết:

Ứng dụng liệu pháp gene trong y học: Thu tế bào gốc tạo máu từ người bệnh, sau đó tiến hành nuôi cấy rồi lây nhiễm vector lentivirus mang gene b-globin lành vào tế bào gốc tạo máu rồi đưa trở lại vào người bệnh.

Luyện tập: Lấy một số ví dụ về thành tựu của sinh học phân tử ở Việt Nam trong các lĩnh vực: khám chữa bệnh, nông nghiệp, kiểm soát dịch bệnh.

Bài làm chi tiết:

Ví dụ:

- Khám chữa bệnh: Sử dụng liệu pháp gene đưa gene mã hoá b-globin vào cơ thể người mắc bệnh tan máu bẩm sinh do đột biến gene này, giúp chữa bệnh thành công.

- Nông nghiệp: Sử dụng dữ liệu giải trình tự hệ gene của cây lúa giúp xác định gene chi phối tính trạng số hạt trên bông, các nhà khoa học tiến hành lai giữa các giống KC25 (dòng cho gene) và Khang Dân 18 (giống nhận gene) để tổ hợp các tính trạng tăng số hạt trên bông vào giống Khang Dân 18.

- Kiểm soát dịch bệnh: Sử dụng kĩ thuật giải trình tự gene để xác định nhanh chóng virus SARS-CoV2 (thuộc nhóm Corona) gây bệnh COVID-19 và các biến thể của virus này. Sử dụng công nghệ DNA tái tổ hợp để sản xuất vaccine tái tổ hợp để phòng dịch bệnh,...

IV. NGUYÊN TẮC ỨNG DỤNG SINH HỌC PHÂN TỬ TRONG THỰC TIỄN

Câu 1: Quan sát hình 1.5 và nêu nguyên tắc dựa trên các kĩ thuật sinh học phân tử để tạo ra các sản phẩm ứng dụng vào thực tiễn.

Bài làm chi tiết:

Nguyên tắc: ứng dụng tái bản DNA trong kĩ thuật PCR và sử dụng enzyme giới hạn trong công nghệ DNA tái tổ hợp.

Luyện tập: Lấy ví dụ chứng minh nguyên tắc dựa trên các kĩ thuật sinh học phân tử để tạo ra các sản phẩm ứng dụng vào thực tiễn.

Bài làm chi tiết:

Ví dụ: 

- Ứng dụng tái bản DNA trong kĩ thuật PCR tạo kit chẩn đoán bệnh:

+ Ở người (ví dụ COVID-19, HIV/AIDS, ung thư vú,...)

+ Ở vật nuôi (ví dụ virus Rhinotracheitis (BoHV1/IBR) gây bệnh viêm đường hô hấp ở bò, vi khuẩn Eperythrozoon suis gây bệnh thiếu máu ở lợn,...)

+ Ở cây trồng (ví dụ vi khuẩn Xylella fastidiosa, viroid gây bệnh Planta Macho (cây bị còi cọc, lá cong, ít quả) ở cà chua,..)

- Sử dụng enzyme giới hạn trong công nghệ DNA tái tổ hợp tạo sinh vật chuyển gene:

+ Nông nghiệp (ví dụ giống đậu tương chuyển gene Bt, giống ngô chuyển gene kháng thuốc diệt cỏ,...)

+ Y học (ví dụ vi khuẩn tái tổ hợp sản xuất insulin, kháng thể đơn dòng,..)

+ Bảo vệ môi trường (ví dụ vi khuẩn E. coli tái tổ hợp phân giải dầu)

Vận dụng: Tranh luận về việc có nên sử dụng kĩ thuật chỉnh sửa gene trong tạo giống cây trồng, vật nuôi.

Giải chi tiết:

- Nên:

+ Tạo giống mới cho năng suất cao, có các đặc điểm tốt, tăng khả năng chống chịu của cây trồng, vật nuôi được xác định.

+ Góp phần thúc đẩy kinh tế và đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu.

+ Cây trồng có khả năng kháng thuốc trừ cỏ không chỉ làm giảm việc dùng thuốc diệt cỏ mà còn làm cho đất và nước sạch hơn, thúc đẩy việc áp dụng phương pháp canh tác không sử dụng đất để giảm thiểu sự xói mòn đất và hiện tượng thải ra carbon vào khí quyển gây biến đổi khí hậu.

- Không nên: 

+ Cây trồng biến đổi gen mang các yếu tố chọn lọc (chịu lạnh, hạn, mặn hay kháng sâu bệnh…) phát triển tràn lan trong quần thể thực vật có thể dẫn đến mất cân bằng hệ sinh thái và làm giảm tính đa dạng sinh học của loài cây được chuyển gen. 

+ Cây trồng biến đổi gen mang các gen kháng thuốc diệt cỏ có thể thụ phấn với các cây dại cùng loài hay có họ hàng gần gũi, làm lây lan gen kháng thuốc diệt cỏ trong quần thể thực vật. 

+ Ngoài ra, một bộ phận các nhà khoa học lo ngại đến khả năng chuyển gen từ cây trồng vào các vi khuẩn trong đất.