Năm 1985, Kary Banks Mullis đã công bố kĩ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction). Kĩ thuật này cho phép tổng hợp DNA dựa trên mạch khuôn là một trình tự đích DNA ban đầu, khuếch đại, nhân số lượng bản sao của khuôn thành hàng triệu bản sao nhờ hoạt động của enzyme polymerase và một cặp mồi (primer) đặc hiệu cho đoạn DNA. Mỗi chu kì gồm ba bước chính sau:

Bước 1. Biến tính: Nhiệt độ được tăng lên 95 °C để làm biến tính DNA sợi kép, tách thành hai sợi đơn.

Bước 2. Gắn mồi: Hạ nhiệt độ xuống 30 - 65 °C để các đoạn mồi sợi đơn của "DNA mồi" bắt cặp vào đoạn DNA mạch đơn. Có hai đoạn DNA mồi được tạo ra là mồi xuôi và mồi ngược, nhằm tổng hợp liên tục theo hai chiều khác nhau trên mạch khuôn. Để có tính đặc hiệu cao, các đoạn mồi phải dài ít nhất khoảng 15 nucleotide.

Bước 3. Kéo dài: Các nucleotide tự do (nhân tạo) được lắp ráp để hình thành sợi DNA mới dựa trên mạch khuôn của DNA ban đầu nhờ enzyme DNA polymerase chịu nhiệt. DNA được đánh dấu sao là các phân tử DNA đích được thu nhận.

Mỗi nhận định sau đây là đúng hay sai về kĩ thuật PCR?

a) Enzyme DNA polymerase được sử dụng trong PCR phải là loại enzyme chịu nhiệt vì tránh sự biến tính của phân tử DNA có trong enzyme này, làm mất hoạt tính của nó.

b) Sau 6 chu kì luân nhiệt, ta sẽ thu nhận được 52 đoạn DNA đích.

c) Các thành phần cần thiết để tham gia vào chu trình PCR gồm: DNA khuôn, DNA mồi và các nucleotide tự do.

d) Trong kĩ thuật này, đoạn mồi phải có trình tự bắt cặp với đoạn DNA đích của vi khuẩn, dài ít nhất 15 nucleotide, không tạo trình tự bắt cặp bổ sung giữa mồi xuôi và mồi ngược.

Dựa vào tính phổ biến của mã di truyền, trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã tạo ra những dòng tế bào, những sinh vật có gene bị biến đổi hoặc có thêm gene mới, từ đó, tạo ra những cơ thể với những đặc điểm mới, ví dụ như tạo ra chủng vi khuẩn E. coli sản xuất insulin của người, cà chua không tổng hợp được ethylene hay tạo ra giống cây trồng mang gene kháng bệnh. Những sinh vật như vậy được gọi là sinh vật chuyển gene và kĩ thuật chuyển một đoạn DNA từ tế bào cho sang tế bào nhận như vậy được gọi là kĩ thuật chuyển gene (hay kĩ thuật di truyền).

Hình 1 mô tả sơ đồ khái quát về một quy trình kĩ thuật chuyển gene từ sinh vật nhân chuẩn vào tế bào vi khuẩn với vector chuyển gene là plasmid nhằm hai mục đích cơ bản: tạo ra nhiều bản sao của một gene đặc thù và tạo ra một lượng lớn sản phẩm protein trong thời gian ngắn.

a) Đoạn đầu tiên đề cập đến "tính phổ biến của mã di truyền" như là một cơ sở quan trọng cho việc tạo ra các sinh vật chuyển gene. Theo em, tính phổ biến của mã di truyền được hiểu như thế nào?

b) Trong quy trình chuyển gene như Hình 1, gene cần chuyển được cài vào plasmid và sau đó plasmid được đưa vào tế bào vi khuẩn nhận. Trong một quy trình khác, gene có thể được gắn với DNA của thực khuẩn thể (phage), sau đó, phage sẽ xâm nhập vào tế bào vi khuẩn nhận. Do đó, plasmid và phage được gọi là vector chuyển gene (hay thể truyển). Hãy dự đoán những đặc điểm cần có của thể truyền trong kĩ thuật chuyển gene.

c) Để có thể cài được gene cần chuyển vào plasmid hoặc phage, người ta sử dụng enzyme cắt giới hạn, một loại enzyme có khả năng nhận ra một trình tự DNA đặc thù được gọi là vị trí giới hạn và cắt cả loại DNA của thể truyền và gene cần chuyển tại vị trí giới hạn để tạo ra cùng một loại đầu dính (so le hay bằng). Mỗi loại enzyme cắt giới hạn có vị trí cắt khác nhau và tạo đầu dính khác nhau. Theo em, khi sử dụng enzyme cắt giới hạn trong kĩ thuật chuyển gene, cần lưu ý điều gì?

d) Người ta dùng kĩ thuật chuyển gene để chuyển gene tổng hợp protein kháng thuốc kháng sinh tetracycline vào vi khuẩn E. coli không mang gene kháng thuốc kháng sinh. Để xác định đúng dòng vi khuẩn mang DNA tái tổ hợp mong muốn, người ta đem nuôi các dòng vi khuẩn này trong một môi trường có nồng độ tetracycline thích hợp. Dòng vi khuẩn mang DNA tái tổ hợp mong muốn sẽ như thế nào?

e) Theo thông tin trên, em hãy cho biết sinh vật nào sau đây được gọi là sinh vật chuyển gene. Giải thích.

(1) Một người bị bệnh tiểu đường được chữa trị bởi hormone insulin tổng hợp nhờ vi khuẩn E. coli.

(2) Một cây khoai tây được tạo thành từ các tế bào rễ của cây mẹ.

(3) Một con chuột chứa gene tổng hợp hemoglobin của thỏ.

(4) Con cừu Doly được tạo ra nhờ kĩ thuật nhân bản vô tính.

(5) Các giống cây trồng mang gene kháng sâu hại.

(6) Giống bò sản xuất ra protein huyết tương của người.

(7) Một lượng lớn các cây cà rốt được tạo ra từ một cây cà rốt ban đầu.

Xác định bộ ba đối mã trên tRNA tương đương với các codon sau: AUG, AUU, GCU, CGC, UGG, UGA, UAA.

Ở một loài thực vật, allele A quy định thân cao, allele a quy định thân thấp, allele B quy định chín sớm, allele b quy định chín muộn. Khi đem lai giữa cặp bố mẹ đều thuần chủng khác nhau về hai cặp tính trạng tương phản, đời F₁ đồng loạt xuất hiện cây thân cao, chín sớm. Tiếp tục cho F₁ lai với cây thân thấp, chín muộn, thu được thế hệ lai gồm 4 kiểu hình như sau: 1996 cây thân cao, chín sớm; 2 004 cây thân cao, chín muộn; 1998 cây thân thấp, chín sớm; 2003 cây thân thấp, chín muộn.

a) Nếu cho đời F₁ lai phân tích, trong quá trình phát sinh giao tử, người ta thấy trong quá trình giảm phân ở một số tế bào sinh hạt phấn ở cây F₁ có cặp nhiễm sắc thể mang cặp gene BB không phân li như Hình 4, còn cặp nhiễm sắc thể còn lại phân li bình thường. Quá trình giảm phân ở các tế bào sinh hạt phấn còn lại và quá trình giảm phân ở tất cả các tế bào sinh noãn diễn ra bình thường. Hãy viết các giao tử đột biến được tạo ra.

b) Nếu muốn F₁ phân li tỉ lệ 3 : 1 về tính trạng chiều cao thân, tính trạng về thời gian chín đồng tính, kiểu gene của P có thể như thế nào?

Năm 1931, Stern đã tiến hành thí nghiệm chứng minh cơ sở tế bào học của tái tổ hợp di truyền ở Drosophila melanogaster, Creighton và Clintok cũng tiến hành thí nghiệm tương tự ở ngô. Cả hai thí nghiệm đều sử dụng "dấu chuẩn" để đánh dấu trên một trong hai nhiễm sắc thể tương đồng có thể quan sát được dưới kính hiển vi. Trên hai nhiễm sắc thể tương đồng mang các allele tương ứng khác nhau của một số cặp gene. Hiện tượng tái tổ hợp di truyền sẽ tạo ra các kiểu hình "độc đáo" kèm theo các thay đổi tế bào học có thể quan sát và dự đoán được. Các gene được sử dụng trong thí nghiệm lai ở ngô: C⁺: có màu, c: không màu; W⁺: bắp tẻ (tinh bột), w: bắp nếp (hồ bột). Cho lai bắp có màu, tẻ với bắp không màu, nếp. Kết quả lai đã thu được 4 dạng kiểu hình gồm có màu, nếp; không màu, tẻ; có màu, tẻ; không màu, nếp.

a) Dựa vào cơ sở nào có thể chứng tỏ đã xảy ra hiện tượng trao đổi chéo giữa các đoạn nhiễm sắc thể?

b) Giải thích cho sự hình thành 4 dạng kiểu hình trong thí nghiệm lai ở ngô.