Dấu vân tay ADN và ứng dụng trong cuộc sống
Tổng quan
Dấu vân tay ADN (ADN fingerprinting) hay hồ sơ ADN (ADN profiling) là kĩ thuật dựa trên nguyên tắc so sánh các đoạn trình tự khác nhau trong một đoạn ADN nhất định nhằm nhận diện và phân biệt các đối tượng mục tiêu. Những đoạn ADN này thuộc vùng không mã hóa (vùng non-coding).
Dấu vân tay ADN được nhà di truyền học Sir Alec Jeffreys tại Đại học Leicester (nước Anh) phát minh vào năm 1984. Tới nay, kĩ thuật này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu, y học và pháp y.
Nguyên tắc
Bộ gen của con người đều giống nhau đến 99,9%, chỉ 0,1% còn lại (khoảng 3 triệu cặp base) khác nhau giữa từng cá thể, ngoại trừ các cặp song sinh cùng trứng. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy đột biến có thể xuất hiện ngẫu nhiên trong quá trình phát triển của cặp song sinh, do đó vẫn có một số khác biệt nhỏ trong cấu trúc ADN.
Các đoạn trình tự đặc trưng cho mỗi cá thể là những đoạn ADN ngắn được lặp lại với số lần khác nhau. Những đoạn ADN này không tham gia sản xuất protein, chúng có thể di truyền cho thế hệ sau. Do đó, người ta có thể xác nhận mối quan hệ huyết thống khi so sánh các đoạn trình tự này.
Kĩ thuật
Restriction fragment length polymorphism (RFLP)—đa hình chiều dài đoạn giới hạn
Restriction fragment length polymorphism (RFLP) là phương pháp phân tích ADN dựa trên các enzyme cắt giới hạn (restriction enzyme). Enzyme này có khả năng nhận biết một trình tự nhất định và cắt tại vị trí nucleotide cụ thể trên trình tự đó. Chẳng hạn, enzyme EcoRI nhận biết trình tự GAATTC và cắt tại vị trí base G. Mỗi cá nhân có trình tự nhận biết và vị trí cắt đặc trưng, vì vậy, ADN của từng cá nhân sẽ được cắt thành nhiều đoạn nhỏ với chiều dài khác nhau.
Sau khi cắt, các đoạn nhỏ này được phân tích bằng phương pháp điện di và chuyển lên màng nitrocellulose. Nguyên lí của điện di là những đoạn ADN ngắn sẽ di chuyển trên gel nhanh hơn các đoạn trình tự dài, từ đó tạo thành các vạch có kích thước khác nhau trên màng.
Các bước thực hiện:
- Bước 1: tách ADN từ mẫu, lưu ý cỡ mẫu xét nghiệm phải đủ lớn để có kết quả chính xác.
- Bước 2: xử lí AND bằng enzym cắt giới hạn
- Bước 3: đem mẫu ADN đã qua xử lí đi điện di trên gel agarose
- Bước 4: chuyển ADN từ miếng gel lên màng nitrocellulose, cho phân tử bắt cặp với đầu dò được đánh dấu bằng phóng xạ.
- Bước 5: sau khi lai với đầu dò phóng xạ, người ta chiếu tia X lên màng. Chỉ những vùng liên kết thành công với đầu dò phóng xạ mới hiển thị trên màng. Mỗi cá nhân có một dải trình tự sắp xếp các vạch trên màng khác nhau.
Cuối cùng, người ta so sánh các dải này với nhau để đưa ra kết luận. Ví dụ, chiều dài đoạn cắt từ mẫu ADN của người thứ nhất giống với người thứ ba, từ đó có thể kết luận hai người này có mối quan hệ huyết thống với nhau.
Polymerase Chain Reaction (PCR) amplification of short tandem repeats (STRs)—khuếch đại đoạn lặp ngắn bằng PCR
Các đoạn trình tự lặp lại ngắn (Short tandem repeat) là những chuỗi nucleotide ngắn, dài từ 2-7 cặp base, được lặp lại nhiều lần trong ADN. STR có thể được tìm thấy tại nhiều vị trí khác nhau trong bộ gen. Mỗi cá nhân đều tồn tại các vùng STR với số lần lặp lại và trình tự nucleotide khác nhau.
Quy trình thực hiện:
- Bước 1: ADN được tách và tinh sạch từ mẫu cần kiểm tra
- Bước 2: sử dụng PCR khuếch đại số lượng bản sao vùng STR
- Bước 3: điện di để phân tách các đoạn ADN đã nhân bản dựa theo kích thước. Trình tự nào có nhiều đoạn lặp lại sẽ có kích thước lớn hơn và di chuyển chậm hơn, từ đó tạo ra một dải có các vạch đặc trưng.
Người ta so sánh các dải này với các mẫu xác định để xây dựng dấu vân tay ADN.
So sánh hai phương pháp
RFLP | STRs | |
---|---|---|
Ưu điểm | Độ chính xác cao do sử dụng lượng mẫu lớn, không bị tạp nhiễm | Chỉ cần sử dụng lượng mẫu nhỏ |
Thời gian thực hiện nhanh | ||
Chi phí thấp hơn so với kĩ thuật RFLP | ||
Nhược điểm | Thời gian thực hiện lâu, chi phí cao | Có thể xảy ra sai sót trong quá trình khuếch đại bằng PCR |
Bảng-1. So sánh hai phương pháp phân tích dấu vân tay ADN
Ứng dụng của dấu vân tay ADN
Pháp y
Dữ liệu ADN được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực pháp y. Mẫu máu, tinh dịch, tóc hoặc quần áo được thu thập tại hiện trường. Sau đó, người ta phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm và so sánh kết quả với dấu vân tay ADN của nghi phạm. Từ năm 1987, hàng trăm vụ án đã được giải quyết bằng dữ liệu ADN.
Ngoài ra, dữ liệu ADN cũng được ứng dụng để xác định quan hệ huyết thống. Ví dụ như khi xác định quan hệ cha con, ADN của đứa trẻ được so sánh với ADN của người cha giả định để tìm ra sự tương đồng về mặt di truyền.
Tuy nhiên, cần lưu ý khả năng trùng hợp ngẫu nhiên. Nhiều nghiên cứu cho thấy tồn tại xác suất rất thấp hai người hoàn toàn không có mối quan hệ sinh học lại có dấu vân tay di truyền giống nhau. Đối với những người có quan hệ họ hàng gần như anh chị em ruột, tỉ lệ trùng khớp ADN có thể cao hơn vì họ thừa hưởng nhiều đoạn ADN giống nhau từ cha mẹ. Do đó, chưa thể hoàn toàn loại trừ khả năng hai mẫu ADN trùng khớp là của hai người thân thích chứ không phải từ một người. Hiện nay, để loại trừ khả năng trùng hợp ngẫu nhiên, người ta đã phát triển các bộ kit phân tích dữ liệu ADN từ 24 cho đến 44 locus.
Ngoài ra, trong các tình huống tai nạn bất ngờ, dấu vân tay ADN trên răng hoặc xương được sử dụng để xác định danh tính nạn nhân. Hiện nay, lực lượng vũ trang Hoa Kỳ cũng đã bắt đầu chương trình thu thập dấu vân tay ADN từ tất cả các nhân viên nhằm xác định danh tính những người thương vong hoặc mất tích khi làm nhiệm vụ.
Nghiên cứu
Dấu vân tay ADN được sử dụng để xác nhận dòng tế bào người hoặc động vật. Phương pháp này giúp xác định mức độ biến đổi của dòng tế bào và tính ổn định của nguồn tế bào. Ngoài ra, người ta có thể kiểm tra lây nhiễm chéo tế bào—tình trạng các dòng tế bào khác nhau lẫn vào dụng cụ nuôi. Hiện nay, người ta đã xây dựng thư viện dấu vân tay ADN dành cho các nguồn tế bào người và động vật nhằm giúp quá trình xác thực dễ dàng hơn.
Ngoài ra, dấu vân tay ADN còn được sử dụng trong các nghiên cứu về bệnh di truyền. Người ta so sánh dấu vân tay ADN của những người trong gia đình có tiền sử mắc bệnh với người khỏe mạnh, từ đó xác định các đoạn gen liên quan đến bệnh. Ứng dụng này vô cùng quan trọng đối với điều trị các bệnh di truyền.
Ảnh: Cấu tạo tế bào
Nguồn: National Cancer Institue
Y học
Dấu vân tay ADN được áp dụng rộng rãi trong chẩn đoán các rối loạn di truyền trên trẻ sơ sinh tại bệnh viện. Những rối loạn này bao gồm xơ nang, máu khó đông, bệnh Huntington, bệnh Alzheimer, thalassemia và nhiều bệnh khác. Điều này giúp bác sĩ nhanh chóng xác định phác đồ điều trị thích hợp cho bệnh nhân. Trong một số chương trình tư vấn di truyền, người ta sử dụng thông tin dấu vân tay ADN nhằm giúp các bậc cha mẹ tương lai hiểu được nguy cơ tiềm ẩn đối với thai nhi.
Ngoài chẩn đoán bệnh di truyền, dấu vân tay ADN còn hỗ trợ bác sĩ xác định nguồn gốc của ngộ độc thực phẩm. Mẫu thực phẩm, mẫu phân từ người bị ngộ độc hoặc mẫu vi sinh vật thường được gửi đến các phòng xét nghiệm. Tại đây, người ta có thể xây dựng dấu vân tay ADN nhằm xác định mầm bệnh. Ngoài ra, người ta cũng có thể dựa vào cơ sở dữ liệu dấu vân tay ADN để xác định mầm bệnh đó thuộc nhóm bệnh nào.
Mối lo ngại
Sử dụng dữ liệu dấu vân tay ADN trong điều tra tội phạm đã làm dấy lên nhiều cuộc tranh luận về đạo đức. Trước hết, nhiều người lo ngại về quyền riêng tư khi dữ liệu ADN của người bị tình nghi trong các cuộc điều tra đều được lưu trữ. Thậm chí, dữ liệu ADN của những người đã được xác định là vô tội vẫn tiếp tục bị lưu giữ vô thời hạn sau khi điều tra kết thúc. Điều này bị coi là vi phạm nghiêm trọng quyền riêng tư cá nhân.
Ngoài ra, lưu trữ dữ liệu ADN cũng dẫn đến nguy cơ làm tăng tính phân biệt chủng tộc. Ví dụ, nếu có định kiến về chủng tộc da màu trong bắt giữ và điều tra dẫn đến tỉ lệ bắt giữ cao hơn đối với nhóm dân tộc này. Mẫu ADN từ những người thuộc nhóm da màu sẽ hiện diện quá nhiều trong ngân hàng dữ liệu ADN so với tỉ lệ dân cư thực tế. Khi có một vụ án xảy ra, các nhà điều tra nhập mẫu ADN từ hiện trường vào ngân hàng dữ liệu để tìm kiếm nghi phạm, họ sẽ bắt gặp nhóm người da màu với tần suất thường xuyên hơn. Điều này có thể khiến cuộc điều tra hướng đến những người da màu, ngay cả khi không có bằng chứng chắc chắn.
Ngân hàng dữ liệu ADN thương mại ra đời cũng gây ra nhiều tranh cãi. Bên cạnh đó, tính minh bạch trong chính sách bảo mật và chia sẻ dữ liệu của các ngân hàng dữ liệu cũng cần được lưu ý. Ngoải ra, nguy cơ người khác truy cập trái phép vào ngân hàng dữ liệu, từ đó dẫn đến rò rỉ thông tin bất hợp pháp cũng là một vấn đề đáng lo ngại.
Lời kết
Dấu vân tay ADN là một kỹ thuật khoa học có tính ứng dụng cao đối với nhiều lĩnh vực khác nhau. Với những ưu điểm vượt trội về độ chính xác và tin cậy, dấu vân tay ADN hứa hẹn sẽ mang lại nhiều nghiên cứu quan trọng trong tương lai. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích to lớn, dấu vân tay ADN cũng đặt ra một số vấn đề đạo đức và pháp lý cần được quan tâm. Do đó, kĩ thuật này nên được sử dụng hợp lý và có trách nhiệm.
References
- Clemson University Open Textbooks. DNA Fingerprinting. Retrieved March 25, 2024 from https://opentextbooks.clemson.edu/sciencetechnologyandsociety/chapter/dna-fingerprinting-and-profiling/
- Frontiers. A novel repeat sequence-based PCR (rep-PCR) using specific repeat sequences of Mycobacterium intracellulare as a DNA fingerprinting. Retrieved March 25, 2024 from https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2023.1161194/full
- National Institute of Health. DNA fingerprinting in forensics: past, present, future. Retrieved March 25, 2024 from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3831584/
- National Institute of Health. Restriction fragment length polymorphism analysis. Retrieved March 25, 2024 from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18428271/
- National Institute of Health. STRScan: targeted profiling of short tandem repeats in whole-genome sequencing data. Retrieved March 25, 2024 from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5629557/
- National Human Genome Research Institute. DNA fingerprinting. Retrieved March 25, 2024 from https://www.genome.gov/genetics-glossary/DNA-Fingerprinting
- University of Leicester. Genetic fingerprinting explained. Retrieved March 25, 2024 from https://le.ac.uk/dna-fingerprinting/explained