Giải chi tiết chuyên đề Sinh học 12 CTST Bài 1: Khái quát sinh học phân tử và các thành tựu

MỞ ĐẦU

Câu 1: Trong đại dịch Covid-19, Việt Nam đã sử dụng phương pháp Real time RT-PCR để xét nghiệm SARS-CoV-2. Kết quả có hay không có đoạn gene (RNA) của virus để phát hiện sự tồn tại của virus SARS-CoV-2 trong cơ thể của những người nghi nhiễm. Vậy phương pháp này là kết quả của thành tựu khoa học nào?

Bài làm chi tiết:

Trong đại dịch Covid-19, Việt Nam đã sử dụng phương pháp Real time RT-PCR để xét nghiệm SARS-CoV-2. Kết quả có hay không có đoạn gene (RNA) của virus để phát hiện sự tồn tại của virus SARS-CoV-2 trong cơ thể của những người nghi nhiễm. Phương pháp này là kết quả của nhiều nghiên cứu và tiến bộ trong lĩnh vực di truyền và y học.

I. KHÁI NIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ

Câu 1: Trong các nghiên cứu về cấu trúc, chức năng của DNA/RNA, protein, tế bào, cơ thể, quần thể, nghiên cứu nào thuộc về cấp sinh học phân tử?

Bài làm chi tiết:

• Trong các nghiên cứu về cấu trúc, chức năng của DNA/RNA, protein, tế bào, cơ thể, quần thể, nghiên cứu cấp sinh học phân tử là nghiên cứu về cấu trúc, chức năng của DNA/RNA, protein, tế bào.

II. THÀNH TỰU HIỆN ĐẠI CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ

Câu 2: Hãy nêu một số thành tựu hiện đại về lý thuyết của sinh học phân tử

Bài làm chi tiết:

• Mô hình mạch xoắn kép của ADN: Năm 1953, Francis Crick và James Watson đã tạo ra mô hình mạch xoắn kép của ADN, thay đổi toàn bộ cấu trúc ADN dựa trên nghiên cứu của Rosalind Franklin và Maurice Wilkins. Mô hình này đã giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và chức năng của ADN.
• Phản ứng chuỗi polymerase (PCR): Kỹ thuật PCR, được phát triển vào năm 1983, cho phép khuếch đại một lượng nhỏ ADN từ một sợi tóc, giúp nghiên cứu về các quá trình phân tử. PCR đã cách mạng hóa lĩnh vực này.
• Luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử: Luận thuyết này cho rằng dòng thông tin chạy từ DNA đến mRNA rồi đến protein. Quá trình phiên mã, dịch mã và sao chép DNA tuân theo quy luật này.

Câu 3: Hãy trình bày vai trò của các kỹ thuật sinh học phân tử như PCR, điện di, giải trình tự gene, Southern blot, Northern blot, Western blot và chuyển gene.

Bài làm chi tiết:

• PCR: PCR là một kỹ thuật quan trọng để nhân bản và khuếch đại một đoạn cụ thể của DNA. Nó cho phép tạo ra hàng tỷ bản sao của một đoạn DNA từ một mẫu nhỏ.
• Điện di được sử dụng để phân tách các phân tử theo kích thước và điện tích.
• Giải trình tự gene cho phép xác định thứ tự các nucleotide trong một đoạn DNA.
• Southern blot dùng để phát hiện và phân tích các đoạn DNA cụ thể trong một mẫu.
• Northern blot: Tương tự như Southern blot, nhưng dùng để phát hiện và phân tích RNA.
• Western blot dùng để phát hiện và phân tích protein.
• Chuyển gene là quá trình chuyển một đoạn DNA từ một tế bào sang tế bào khác.

Câu 4: Quan sát hình 1.2 và cho biết nếu dùng cùng một loại mối xuôi và mối ngược thì các đoạn DNA được tạo ra sau khi chạy PCR có giống nhau và giống đoạn DNA đích ban đầu không. Vì sao?

Bài làm chi tiết:

Nếu dùng cùng một loại mối xuôi và mối ngược trong PCR, các đoạn DNA được tạo ra không giống nhau và không giống đoạn DNA đích ban đầu. Lý do là:

- Mối xuôi (Forward primer) và mối ngược (Reverse primer):

+ Mối xuôi: Đây là đoạn ngắn của DNA được thiết kế để phù hợp với phần đầu của chuỗi DNA đích.

+ Mối ngược: Đoạn này phù hợp với phần cuối của chuỗi DNA đích.

- Quá trình PCR:

+ PCR sử dụng mối xuôi và mối ngược để nhân bản và khuếch đại một đoạn cụ thể của DNA.

+ Khi cùng một loại mối xuôi và mối ngược được sử dụng, chúng sẽ phù hợp với cùng một vị trí trên chuỗi DNA đích.

+ Kết quả là, các đoạn DNA được tạo ra sẽ giống nhau và không đa dạng.

- Sự khác biệt cần thiết:

+ Để tạo ra các đoạn DNA khác nhau, chúng ta cần sử dụng các mối xuôi và mối ngược khác nhau. Chúng sẽ phù hợp với các vị trí khác nhau trên chuỗi DNA đích, cho phép tạo ra các đoạn DNA đa dạng và không giống nhau.

Vì vậy, việc sử dụng cùng một loại mối xuôi và mối ngược trong PCR không tạo ra các đoạn DNA giống nhau và giống đoạn DNA đích ban đầu.

Câu 5: Hãy trình bày ứng dụng của các kỹ thuật sinh học phân tử: PCR, điện di, giải trình tự gene, Southern blot, Northern blot, Western blot và chuyển gene trong: 

1. Y-dược học
2. Nông, lâm, ngư nghiệp
3. Bảo vệ môi trường
4. Quốc phòng, an ninh

Bài làm chi tiết:

1. Y-dược học

- PCR: 

+ Xác định kiểu gen của vi-rút viêm gan siêu vi C dựa trên trình tự của vùng gen 5′-UTR và core.

+ Phát hiện đột biến gen EGFR, BRCA, KRAS trong chẩn đoán ung thư phổi, vú, đại trực tràng.

+ Định danh vi sinh vật dựa trên vùng gen 16s rRNA.

- Southern Blot: Xác định số lượng và vị trí của một gen cụ thể trong genom.

- Northern Blot: Nghiên cứu biểu hiện gen và tìm hiểu về chức năng của ARN

- Western Blot: dùng để phân tích và xác định sự xuất hiện của một protein cụ thể trong một mẫu.

- Chuyển gene: Tạo ra các loại thuốc, điều trị bệnh di truyền, và nghiên cứu chức năng gen.

b. Nông, lâm, ngư nghiệp

- PCR:

+ Xác định loài vi khuẩn: PCR giúp nhận diện vi khuẩn một cách nhanh chóng dựa trên phản ứng tổng hợp chuỗi gen. Điều này hỗ trợ trong kiểm tra sự hiện diện của vi khuẩn gây bệnh trong cây trồng.

+ Phát triển cây trồng chống sâu bệnh: PCR được sử dụng để xác định gen chống sâu bệnh, giúp tạo ra cây trồng kháng bệnh.

- Điện di:

+ Kiểm tra độ tinh khiết của ADN: Điện di gel cho phép phân tích và xác định kích thước của các đoạn ADN. Trong nông lâm ngư nghiệp, nó được sử dụng để kiểm tra độ tinh khiết của ADN trước khi thực hiện các phản ứng khác.

+ Xác định kích thước gen: Điện di gel giúp xác định kích thước của gen liên quan đến tính chất của cây trồng.

- Giải trình tự gene:

+ Xác định thứ tự nucleotit của gen: Giải trình tự gene giúp xác định thứ tự chính xác của gen, từ đó tìm hiểu về cấu trúc và chức năng của gen trong cây trồng.

+ Southern Blot: Xác định số lượng và vị trí của gen cụ thể: Southern Blot được sử dụng để phân tích và xác định sự xuất hiện của một đoạn ADN cụ thể trong một mẫu cây trồng.

+ Northern Blot: Nghiên cứu biểu hiện gen: Northern Blot dùng để phân tích và xác định sự xuất hiện của một đoạn ARN cụ thể trong cây trồng. Điều này giúp tìm hiểu về biểu hiện gen và chức năng của ARN.

+ Chuyển gene: Tạo cây trồng biến đổi gen: Chuyển gene là quá trình đưa một đoạn gen từ một loài sang loài khác. Trong nông lâm ngư nghiệp, chuyển gene được sử dụng để tạo ra cây trồng có tính chất mới, chẳng hạn như kháng sâu bệnh, tăng năng suất hoặc cải thiện chất lượng sản phẩm.

c. Bảo vệ môi trường

- PCR: 

+ Xác định vi khuẩn và vi rút trong môi trường: PCR giúp phát hiện và xác định vi khuẩn và vi rút có hại trong nước, đất, và không khí. Điều này hỗ trợ trong quản lý môi trường và dự phòng bệnh dịch.

+ Đánh giá đa dạng vi sinh vật trong môi trường tự nhiên: PCR được sử dụng để xác định loài vi sinh vật có trong môi trường, từ đó đánh giá sự đa dạng sinh học và tình trạng môi trường.

- Diện di 

+ Kiểm tra chất lượng nước: Điện di gel giúp phân tích và xác định tình trạng ô nhiễm nước bằng cách kiểm tra sự xuất hiện của vi sinh vật, vi khuẩn, và các hợp chất hóa học.

+ Xác định kích thước gen trong vi sinh vật: Điện di gel được sử dụng để xác định kích thước của gen trong vi sinh vật, từ đó hiểu về đa dạng di truyền và tương tác gen.

- Giải trình tự gen: Phân tích đa dạng gen trong môi trường tự nhiên: Giải trình tự gene giúp xác định thứ tự nucleotide của các gen có ảnh hưởng đến môi trường. Điều này hỗ trợ nghiên cứu về sự thích nghi của vi sinh vật và cây trồng.

- Southern Blot: Xác định sự xuất hiện của vi khuẩn chứa gen chống kháng trong đất: Southern Blot được sử dụng để phân tích và xác định sự xuất hiện của một đoạn ADN cụ thể trong mẫu đất. Điều này liên quan đến việc theo dõi vi khuẩn chứa gen chống kháng sau khi chúng được thả vào môi trường.

- Northern Blot: Nghiên cứu biểu hiện gen trong cây trồng và vi sinh vật: Northern Blot dùng để phân tích và xác định sự xuất hiện của một đoạn ARN cụ thể trong mẫu. Điều này giúp hiểu về biểu hiện gen và tương tác gen trong môi trường.

- Chuyển gene: Tạo cây trồng chống sâu bệnh và chịu môi trường khắc nghiệt: Chuyển gene là quá trình đưa một đoạn gen từ một loài sang loài khác. Trong bảo vệ môi trường, chuyển gene được sử dụng để tạo ra cây trồng có khả năng chống sâu bệnh, chịu hạn hán, và phục hồi đất.

d. Quốc phòng, an ninh

- PCR: 

+ Xác định vi khuẩn và vi rút trong môi trường: PCR giúp phát hiện và xác định vi khuẩn và vi rút có hại trong nước, đất, và không khí. Điều này hỗ trợ trong quản lý môi trường và dự phòng bệnh dịch.

+ Phân tích mẫu nhanh chóng: PCR được sử dụng để xác định nguyên nhân gây bệnh một cách nhanh chóng, đặc biệt trong tình huống khẩn cấp.

- Chuyển gene: Phân tích dấu vết gene, sử dụng để phát hiện và theo dõi các dấu vết gene trong mẫu, hỗ trợ công tác an ninh quốc phòng.

III. NGUYÊN TẮC ỨNG DỤNG SINH HỌC PHÂN TỬ

Câu 6: Vì sao phải đảm bảo các nguyên tắc an toàn sinh học, đạo đức sinh học trong ứng dụng sinh học phân tử vào thực tiễn?

Bài làm chi tiết:

Cần đảm bảo các nguyên tắc an toàn sinh học, đạo đức sinh học trong ứng dụng sinh học phân tử vào thực tiễn vì:

 - An toàn sinh học: 

+ Bảo vệ sức khỏe con người: Các nguyên tắc an toàn đảm bảo không gây hại cho người thực hiện và người xung quanh.

+ Ngăn ngừa tai nạn và ô nhiễm: Các kỹ thuật sinh học phân tử thường liên quan đến xử lý vi khuẩn, virus và các tác nhân gây bệnh. Đảm bảo an toàn trong việc làm việc với chúng giúp ngăn ngừa tai nạn và ô nhiễm.

- Đạo đức sinh học: 

+ Tránh lạm dụng công nghệ: Đạo đức sinh học đảm bảo rằng công nghệ không được sử dụng để gây hại cho con người hoặc môi trường.

+ Trách nhiệm đối với người tham gia nghiên cứu: Đạo đức sinh học đảm bảo người tham gia nghiên cứu được tôn trọng và bảo vệ. Điều này bao gồm việc thu thập mẫu, sử dụng dữ liệu và thông tin cá nhân.

LUYỆN TẬP 

II. THÀNH TỰU HIỆN ĐẠI CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ

Câu 1: Tìm hiểu và sưu tầm thông tin, hình ảnh trên internet, sách, báo,… để thiết kế poster hoặc infographic giới thiệu về thành tựu của việc ứng dụng kỹ thuật sinh học phân tử trong y học đang được áp dụng tại Việt Nam và trên thế giới.

Bài làm chi tiết:

Trên thế giới:

- Chẩn đoán bệnh nhiễm trùng và di truyền:

+ Real-time PCR: Được áp dụng rộng rãi để xác định tải lượng virus như HIV, + PCR (Phản ứng chuỗi polymerase): Sử dụng để phát hiện vi khuẩn, virus, và đột biến gen liên quan đến bệnh.

HBV, và SARS-CoV-2.

- Nghiên cứu di truyền và tìm hiểu bệnh lý:

+ Tách chiết và điện di ADN: Dùng để phân tích kích thước và cấu trúc của DNA.

+ Giải trình tự gene (DNA sequencing): Xác định trình tự nucleotit của gen, giúp hiểu rõ chức năng và quan hệ giữa các gen.

- Chẩn đoán ung thư và theo dõi điều trị:

+ Phân tích biểu hiện gen (mRNA): Northern blot và RT-qPCR giúp theo dõi mức biểu hiện gen trong điều kiện khác nhau.

+ Phát hiện đột biến gen liên quan đến ung thư: PCR và các phương pháp khác giúp xác định loại ung thư và lựa chọn phương pháp điều trị phù hợp.

- Nghiên cứu vắc-xin và kháng thể: Sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử để sản xuất vắc-xin và kháng thể cho phòng ngừa và điều trị bệnh.

+ Nghiên cứu di truyền và phát triển dược phẩm mới: Phân tích tương tác protein và biểu hiện protein: Western blot và các phương pháp khác giúp nghiên cứu sự tương tác protein và phát triển dược phẩm.

+ An toàn thực phẩm và kiểm tra dược phẩm: PCR và ELISA: Sử dụng để kiểm tra an toàn thực phẩm và xác định chất lượng dược phẩm.

Tại Việt Nam:

+ Nghiên cứu di truyền và phân tích gen: Đang được phát triển để nắm bắt thông tin di truyền của người Việt Nam.

+ Chẩn đoán COVID-19: Sử dụng RT-qPCR để xác định SARS-CoV-2.

VẬN DỤNG

Câu 1: Hãy đưa ra ý tưởng về việc ứng dụng một trong các kỹ thuật sinh học phân tử như: PCR, điện di, giải trình tự gene, Southern blot, Northern blot, Western blot và chuyển gene vào một lĩnh vực trong tương lai. Đánh giá vai trò thực tiễn của ứng dụng đó.

Bài làm chi tiết:

Dưới đây là ý tưởng về việc ứng dụng Southern Blot trong lĩnh vực môi trường và bảo vệ đa dạng sinh học:

- Mục tiêu: Xác định sự hiện diện và phân bố của các loài động và thực vật quý hiếm, đặc biệt là trong các khu vực thiên nhiên hoang dã.

- Vai trò thực tiễn: Bảo vệ đa dạng sinh học: Giúp theo dõi và bảo vệ các loài quý hiếm, đặc biệt là trong các khu vực thiên nhiên hoang dã.

- Tương lai: Công nghệ phát triển và giá thành giảm sẽ giúp Southern Blot trở thành công cụ quan trọng trong việc bảo vệ đa dạng sinh học và môi trường.