Kể Chuyện Về Cơ Học Vi Chất Lưu Trong Nghiên Cứu Y Sinh Đương Đại (Kỳ 2)

Kỳ 2: Chuyển Gen Bằng Con Đường Hóa Học

Chào các bạn, mình rất vui khi lại được cùng trò chuyện với các bạn về khoa học ngày hôm nay. Tối hôm qua, trời mưa nặng hạt. Một cảm giác bâng khuân ùa về. Biết bao mùa mưa đã trôi qua cuốn theo muôn vàn kỷ niệm của mình trong âm thanh lộp độp đó. Mình muốn chia sẻ với các bạn một điều thú vị mà mình học được trước khi kể tiếp câu chuyện. Đó là một chiều mưa khá lâu, mình tình cờ nghe được một câu nói của ai đó trong dĩ vãng rằng: “Học giống như đi thuyền ngược dòng: Không tiến thì lùi!” Câu nói đó đã ám ảnh trong đầu mình cho tới tận bây giờ. Rất đúng! Nếu mình dừng học tập và nghĩ rằng như vậy là đủ để xài, thì mình đã vô tình để bản thân trôi dần về một chỗ trũng. Mong rằng câu nói này sẽ đem lại cho các bạn niềm vui và động lực để học tập tốt!

Hôm nay, mình sẽ kể các bạn nghe về một chủ đề rất cũ. Đó là các kỹ thuật chuyển gen. Vì mình muốn bảo đảm luồng thông tin được chảy thông suốt, nên dù các bạn đều đã biết mình vẫn phải kể trước khi kể cái mới.

Cơ học vi chất lưu (CHVCL) có rất nhiều ứng dụng, nhưng chuyển gen là một ứng dụng quan trọng trong nghiên cứu y sinh cũng như trong công nghệ sinh học. Do đó, mình sẽ tập trung vào kỹ thuật chuyển gen. Như đã đề cập ở Kỳ 1, mình sẽ đi từ các kỹ thuật cũ cho tới cách kỹ thuật gần đây nhất (tính tới 2014).

Chuyển gen: là chuyển các nucleic acid vào trong tế bào. Các nucleic acid bao gồm DNA và RNA.  Nếu chúng ta dùng siRNA (short-interfering RNA) thì chúng ta sẽ có kỹ thuật giao thoa RNA (RNA interference). Từ đó, ta sẽ có kỹ thuật knockout và v.v.

Nếu tế bào nhận gen là vi khuẩn, thuật ngữ “chuyển gen” sẽ là “transduction”. Ngược lại, tế bào nhận là tế bào nhân thực ta sẽ có “transfection.” Cả 2 từ cùng chỉ một nghĩa “chuyển gen.”

Trong buổi kể chuyện này, mình sẽ điểm qua một vài kỹ thuật dựa trên hóa chất (chemical-based transfection).

Chuyển Gen Bằng Calcium Phosphate:

Kỹ thuật này ra đời năm 1973 do công của Graham và van der Eb đăng trên tạp chí Virology, vol 52, issue 2 (Tên bài báo: “A new technique for the assay of infectivity of human adenovirus 5 DNA”).

Kỹ thuật này đòi hỏi phải sử dụng ion kim loại hóa trị II vì một lý do còn chưa xác định được. Do đó, các ion hóa trị I (v.d. NaCl hay LiCl) không thể dùng được. Đồng thời dung dịch ion này được giữ ở nhiệt độ thấp (trên đá). DNA sẽ tạo kết tủa trong dung dịch muối đẳng trương (isotonic saline) cùng với dung dịch Ca3(PO4)2. Khi thêm vào dung dịch tế bào, kết tủa sẽ bám lên màn tế bào. Các bạn nhớ là màn tế bào và DNA mang điện tích âm. Tiếp theo là giai đoạn “heat shock.” Hỗn hợp đang ở nhiệt độ thấp (trên đá) sẽ được chuyển sang nhiệt độ cao (37 độ C). Sự tăng nhiệt độ này làm tăng áp suất bên ngoài, và chênh lệch áp suất đẩy DNA vào trong tế bào. Tiếp đó, tế bào được chuyển lại nhiệt độ thấp (trên đá). Lúc này, nhiệt độ thấp sẽ làm giảm áp suất ngoài, và chênh lệch áp suất giúp đóng màn tế bào lại. Như vậy, DNA đã được chuyển vào trong tế bào.

Đây là một phương pháp ít tốn kém và không giới hạn kích cỡ DNA được chuyển. Các lab đều có thể làm mà không đòi hỏi nhiều thiết bị. Tuy nhiên, hạn chế của kỹ thuật là hiệu suất chuyển gen (transfection efficiency) thấp và nguy cơ đầu độc tế bào (toxicity) cao. Mặc dù đã có nhiều cải tiến nhằm giảm mức độ độc hại cho tế bào, hiệu suất chuyển gen lại bị giảm xuống, nhất là với các tế bào mong manh/dễ tổn thương (fragile cells) như tế bào thần kinh.

Như vậy, điều này đòi hỏi phải có phương pháp thây thế!

Chuyển Gen Bằng Liposome:

Liposome là một cấu trúc hình cầu làm bằng màn lipid (lipd bilayer) rất giống tế bào. Các bạn tưởng tượng rằng nếu mình lấy hết tất cả các chất ra khỏi tế bào, lúc này mình sẽ có một quả cầu rỗng chỉ với một lớp màn lipid bọc bên ngoài. Đó chính là một hình ảnh về liposome. Người ta dùng thuật ngữ “lipofection” để chỉ việc sử dụng liposme nhằm chuyển gen (hậu tố “fection”) vào tế bào. Các bạn có thể tìm đọc lại các Note trước của mình về ứng dụng của liposome trong điều trị ung thư.

Nguyên lý ở đây là vật liệu di truyền sẽ được chứa trong các liposome. Sau đó, liposome sẽ hòa màn với màn tế bào do cả hai có chung tính chất lý-hóa học. Lúc này vật liệu di truyền sẽ được đưa vào tế bào. Nhờ đó mà DNA được vận chuyển vào trong tế bào.

Hiện nay, liposome được sử dụng nhiều nhất trong các phòng lab y sinh là Lipofectamine 2000. Phương pháp này có ưu điểm là không gây độc tế bào. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển gen chỉ vào khoảng 30% đối với các tế bào thần kinh. Đồng thời, giá thành của Lipofectamine quá cao để có thể tiếp cận. Ví dụ, công ty Life Technologies bán 1mL Lipofectamine 2000 với giá 544 USD (tương đương khoảng 11 triệu rưỡi VN đồng).

Ngoài liposome ra, người ta còn có thể sử dụng những quả cầu rỗng làm bằng polymer tích điện dương. Trong hình minh họa cơ chế vận chuyển các RNA vào tế bào nhờ các cấu trúc rỗng này. (Hình trích từ bài báo với số DOI: 10.1039/C001050M).

Mình sẽ không miêu tả chi tiết những phương pháp này nữa, vì cơ chế hoạt động của chúng khá giống nhau. Các bạn nắm được liposome là sẽ dần dần hiểu ra cơ chế của các chất vận chuyển khác. Trong văn học, người ta hay gọi các chất vận chuyển này là chú ngựa thành Troy, xuất nguồn từ điển tích trong văn học Hy Lạp.

Khép lại kỹ thuật hóa học, mình sẽ chuyển sang kỹ thuật chuyển gen nhờ các virus. Người ta gọi bằng thuật ngữ virus-based transfection/transduction. Hẳn các bạn đã từng đọc hay nghe nhiều các công nghệ mới hiện nay như “liệu pháp gen” (virus mediated gene therapy) hay “quang di truyền” (Optogenetics). Các bạn có thể tìm các Note cũ của mình để đọc thêm về kỹ thuật quang di truyền. Mình rất thích kỹ thuật này. Mình đã tham gia một câu lạc bộ đọc sách/báo (Book/Journal Club) của NUS và mình rất vui khi có nhiều bạn cũng yêu thích quang di truyền như mình.

Chuyển Gen Bằng Virus:

Nói về chuyển gen nhờ virus, hẳn các bạn đều đã được học về kỹ thuật này trong chương trình phổ thông và đại học. Trong kỹ thuật này, các gen gây hại của virus sẽ bị loại bỏ, và DNA mà mình cần chuyển sẽ được chứa trong các vỏ bọc virus này. Nhờ vào quá trình nhiễm virus mà DNA sẽ được chuyển vào tế bào nhận. Kỹ thuật này có thể được áp dụng cả trong phòng lab (in vitro) lẫn trên cơ thể sinh vật (in vivo). Tuy nhiên, phương pháp lại chứa đựng những nhược điểm lớn. Kích cỡ DNA chứa được trong virus bị hạn chế và virus có thể gây ra phản ứng miễn dịch ở sinh vật nhận là 2 trong các vấn đề lớn cần quan tâm. Một khi virus bị cơ thể nhận ra là vật lạ, lần thử nghiệm sau chúng ta sẽ gặp vấn đề.

Như vậy, hôm nay mình đã kể cho các bạn nghe 2 phương pháp chuyển gen, bao gồm hóa học và virus. Các bạn hẵn đã nhận thấy những nhược điểm của mỗi phương pháp. Điều này thôi thúc các nhà khoa học tìm kiếm các kỹ thuật mới nhằm giảm giá thành, tăng hiệu suất chuyển gen, và giảm các tác dụng phụ không mong muốn.

Kỳ tới, mình sẽ kể các bạn nghe các phương pháp vật lý nhằm tạo ra các lỗ trên màn tế bào để các chất thẩm thấu vào trong, bao gồm sử dụng điện trường, từ trường, âm thanh, ánh sáng, và nhiều nguyên lý vật lý khác. Càng đọc, các bạn càng tò mò về phạm vi mà Vật Lý đang thâm nhập vào Sinh Học phải không? Như mình đã nói, Vật Lý là cánh tay chủ lực của Sinh Học trong nghiên cứu Y Sinh đương đại.

Huy Vũ

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*