Kỹ thuật di truyền

Nhiều phương pháp đã được phát triển để sàng lọc DNA từ sinh vật sống, như chiết lỏng-lỏng phenol-clorofom, và vận dụng trong phòng thí nghiệm, như phương pháp phân hủy giới hạn (restriction digest) và phản ứng chuỗi polymerase. Sinh học hiện đại và ngành hóa sinh sử dụng thường xuyên những kỹ thuật này trong công nghệ tái tổ hợp DNA. Tái tổ hợp DNA là một trình tự DNA nhân tạo được lắp ghép từ các trình tự DNA khác. Chúng có thể được biến nạp vào tế bào sinh vật dưới dạng plasmid hoặc trong những dạng thích hợp khác, bằng cách sử dụng vector virut.[155] Những sinh vật biến đổi di truyền có thể được ứng dụng để sinh ra các sản phẩm như protein tái tổ hợp, sử dụng trong nghiên cứu y học,[156] hoặc được nuôi trồng trong nông nghiệp.[157][158]

Kỹ thuật nhận diện DNA

Các nhà khoa học pháp y sử dụng DNA trong máu, tinh dịch, da, nước bọt hay tóc tìm thấy tại hiện trường để nhận ra DNA khớp với của một cá nhân, như của thủ phạm chẳng hạn. Quá trình này được gọi là kỹ thuật nhận diện DNA (DNA profiling), hay còn gọi là kỹ thuật in dấu DNA (DNA fingerprinting). Trong kỹ thuật nhận diện DNA, độ dài của nhiều đoạn DNA lặp lại, như các đoạn trình tự vi vệ tinh (microsatellite) và vệ tinh nhỏ (minisatellite), được so sánh giữa các cá nhân có liên quan. Phương pháp này thường là một kỹ thuật cực kỳ tin cậy cho phép xác định những trình tự DNA ăn khớp với nhau.[159] Tuy vậy, việc nhận dạng có thể trở nên phức tạp nếu tại hiện trường gây án có nhiều DNA của nhiều người.[160] Kỹ thuật nhận diện DNA phát triển vào năm 1984 bởi nhà di truyền học người Anh Sir Alec Jeffreys,[161] và lần đầu tiên được sử dụng trong ngành pháp y để cáo buộc Colin Pitchfork trong vụ án Enderby năm 1988.[162]

Sự phát triển của khoa học pháp y, và khả năng hiện nay có thể nhận ra thông tin di truyền từ các mẫu máu, da, nước bọt hay tóc đã dẫn đến nhiều vụ án phải lật lại hồ sơ mặc dù tòa đã tuyên án. Chứng cứ mà hiện nay có thể được tiết lộ ra trong khi ở thời điểm thẩm vấn là bất khả thi về mặt khoa học. Kết hợp với đạo luật loại bỏ trường hợp bất trùng khả tố (double jeopardy-một người không bị xử hai lần về một tội) ở một số nơi, đã cho phép khởi tố lại một số vụ án khi bản án trước đó đã không nêu được chứng cứ thuyết phục để kết án. Những người mang tội danh nặng được phép yêu cầu lấy mẫu DNA nhằm mục đích so sánh. Trường hợp biện hộ rõ ràng nhất đó là mẫu DNA nhận được từ pháp y bị cho là đã bị ảnh hưởng từ những người ở xung quanh vụ án. Điều này làm cho các thủ tục điều tra trở nên chặt chẽ hơn trong những trường hợp phạm tội mới. Nhận diện DNA cũng được áp dụng thành công cho nhận dạng các nạn nhân trong những vụ tai nạn có thương vong lớn,[163] từ những phần cơ thể, và nhận biết từng nạn nhân trong những mồ chôn tập thể trong chiến tranh, thông qua so sánh với DNA của người nhà nạn nhân.

Kỹ thuật nhận diện DNA cũng được sử dụng để xác thực mối liên hệ sinh học với cha mẹ hoặc ông bà của một đứa trẻ với xác suất chính xác lên tới 99,99%. Những phương pháp kiểm trình tự DNA bình thường được thực hiện sau sinh, nhưng những phương pháp mới có thể kiểm tra quan hệ huyết thống ngay cả khi người mẹ đang mang thai.[164]

DNA enzyme hay xúc tác DNA

Deoxyribozyme, cũng gọi là DNAzyme hay xúc tác DNA phát hiện lần đầu tiên vào năm 1994.[165] Phần lớn chúng là những trình tự mạch đơn DNA được cô lập khỏi một vũng lớn gồm nhiều trình tự DNA ngẫu nhiên thông qua một hướng tiếp cận tổ hợp gọi là kỹ thuật lựa chọn in vitro hay phương pháp SELEX. Những DNAzyme tham gia xúc tác các phản ứng hóa học bao gồm phân cắt RNA-DNA, kết nối RNA-DNA, sự phosphoryl hóa - phản phosphoryl hóa các axit amino, hình thành liên kết cacbon-cacbon, v.v... DNAzyme có thể tăng cường tốc độ phản ứng hóa học gấp 100.000.000.000 lần so với phản ứng không có sự tham gia xúc tác của nó.[166] Các DNAzyme được nghiên cứu nhiều nhất là những loại phân cắt RNA dùng để phát hiện các ion kim loại khác nhau và thiết kế các tác nhân trị liệu. Một vài DNAzyme đặc hiệu ion kim loại bao gồm GR-5 DNAzyme (đặc hiệu với chì),[165] CA1-3 DNAzymes (với đồng),[167] 39E DNAzyme (với ion uranyl) và NaA43 DNAzyme (với natri).[168] NaA43 DNAzyme, nhạy với natri gấp 10.000 lần so với các ion kim loại khác, được dùng để theo dõi natri theo thời gian thực trong tế bào sống.

Tin sinh học

Bản đồ nhiễm sắc thể X ở người (từ trang web của NCBI).

Tin sinh học bao gồm các kỹ thuật lưu trữ, khai phá dữ liệu, tìm kiếm và thao tác với dữ liệu sinh học, bao gồm dữ liệu về trình tự axit nucleic DNA. Các kỹ thuật này mang đến những ứng dụng rộng rãi trong khoa học máy tính, đặc biệt là thuật toán tìm kiếm chuỗi, học máy và lý thuyết cơ sở dữ liệu.[169] Thuật toán tìm kiếm chuỗi hay so khớp, trong đó tìm kiếm sự xuất hiện của một trình tự các chữ cái trong một trình tự các chữ cái lớn hơn, được phát triển để tìm ra những trình tự nucleotide cụ thể.[170] Trình tự DNA có thể sắp gióng với những trình tự DNA khác để nhận ra các trình tự tương đồng và xác định vị trí đột biến khiến chúng khác biệt. Những kỹ thuật này, đặc biệt là kỹ thuật "sắp gióng đa trình tự" (multiple sequence alignment), được sử dụng để nghiên cứu các mối quan hệ phát sinh chủng loài học và chức năng của protein.[171] Tập hợp dữ liệu của toàn bộ trình tự DNA, như được lập ra bởi Dự án bản đồ gene người, là khó để sử dụng mà không có các chú giải cho phép nhận ra vị trí của các gene hay các yếu tố điều hòa ở mỗi nhiễm sắc thể. Vùng trình tự DNA với những phần đặc trưng gắn với gene mã hóa cho protein hoặc RNA có thể tìm ra bằng thuật toán tìm kiếm gene (gene finding algorithm), cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán sự có mặt của những sinh phẩm đặc biệt mã hóa bởi gen và chức năng của chúng trong sinh vật trước khi chúng được phát hiện bằng thực nghiệm.[172] Toàn bộ hệ gene cũng có thể được đối sánh, để làm sáng tỏ lịch sử tiến hóa của từng sinh vật cụ thể và cho phép kiểm tra các sự kiện tiến hóa phức tạp.

Công nghệ nano DNA

Cấu trúc DNA bên trái (lược đồ minh họa) với cấu trúc tự lắp ráp chụp bằng kính hiển vi lực nguyên tử bên phải. Công nghệ nano DNA là lĩnh vực nghiên cứu thiết kế và tạo ra những cấu trúc cỡ nano sử dụng các tính chất phân tử của DNA. Ảnh từ Strong, 2004.

Công nghệ nano DNA sử dụng những tính chất tương tác của phân tử DNA và những axit nucleic khác để tạo ra những phức hợp DNA phân nhánh tự lắp ráp có tính năng hữu ích.[173] Do vậy DNA được sử dụng như là vật liệu cấu trúc hơn là vật liệu mang thông tin sinh học. Các nhà khoa học đã tạo ra những dàn lưới hai chiều tuần hoàn (bằng phương pháp lát gạch và origami DNA) và cấu trúc ba chiều đa diện đều.[174] Thiết bị cơ nano và thuật toán tự lắp ráp cũng được chứng minh là khả dĩ,[175] và những cấu trúc DNA này dùng làm khuôn mẫu để sắp xếp các phân tử khác như keo vàng (colloidal gold) và protein streptavidin trong vi khuẩn Streptomyces avidinii.[176]

Lịch sử và nhân chủng học

Bởi vì theo thời gian DNA tích lũy các đột biến, do vậy chúng được di truyền lại, nên DNA chứa thông tin lịch sử, và bằng cách so sánh các trình tự DNA, những nhà di truyền học có thể suy luận ra lịch sử tiến hóa của mỗi loài sinh vật, hay phát sinh chủng loài của chúng.[177] Lĩnh vực phát sinh chủng loài học là một công cụ mạnh của sinh học tiến hóa. Nếu so sánh những trình tự DNA của một loài với nhau, các nhà di truyền quần thể có thể biết được lịch sử phát triển của một quần thể đang nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu của ngành này được áp dụng sang cho di truyền sinh thái và nhân chủng học. Ví dụ, các nhà khoa học đã sử dụng bằng chứng DNA để nghiên cứu sự kiện Mười bộ tộc biến mất (Ten Lost Tribes) của Israel.[178][179]

Lưu trữ thông tin

Trong một bài báo trên tạp chí Nature tháng 1 năm 2013, các nhà khoa học từ Học viện Tin sinh học Châu Âu và công ty Agilent Technologies đã đề xuất một cơ chế sử dụng khả năng mã hóa thông tin của DNA để phục vụ cho việc lưu trữ kỹ thuật số. Nhóm nghiên cứu mã hóa 739 kilobyte dữ liệu vào mã DNA, rồi tổng hợp nên DNA thực thụ, tiếp đó thực hiện giải trình tự DNA và giải mã thông tin ngược trở lại dạng ban đầu, mà họ thông báo là kết quả thu được với độ chính xác 100%. Thông tin được mã hóa chứa các tập tin định dạng văn bản và âm thanh. Một thí nghiệm khác thực hiện trước đó bởi nhóm nghiên cứu ở Đại học Harvard tháng 8 năm 2012, khi nhóm này mã hóa một quyển sách chứa 54.000 từ vào DNA.[180][181]

Trong tế bào sinh vật sống, thông tin lưu trữ ở DNA có thể được kích hoạt bởi các enzyme. Ví dụ như các kênh ion có protein cảm thụ ánh sáng phối hợp với enzyme xử lý DNA là phù hợp cho nhiệm vụ trên trong ống nghiệm (in vitro).[182][183] Những phân tử exonuclease huỳnh quang có thể truyền tín hiệu ra bên ngoài tuân theo các trình tự nucleotide mà chúng đọc được.[184]