DNA (deoxyribonucleic acid) là phân tử mang thông tin di truyền, đóng vai trò quyết định trong việc lưu trữ, truyền đạt và điều hành các hoạt động sống của cơ thể. Cấu trúc DNA được phát hiện bởi Watson và Crick vào năm 1953, với hình dạng chuỗi xoắn kép gồm hai sợi polynucleotide liên kết bằng các cặp base nitơ theo nguyên tắc bổ sung. DNA không chỉ là cơ sở vật chất của gen mà còn là phân tử tự tái bản, đảm bảo việc truyền đạt thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.
Cấu trúc của DNA là chuỗi xoắn kép gồm hai sợi polynucleotide song song và ngược chiều nhau. Mỗi sợi polynucleotide được cấu tạo từ các đơn phân gọi là nucleotide, bao gồm ba thành phần chính: đường deoxyribose, nhóm photphat và một trong bốn loại base nitơ (adenine - A, thymine - T, guanine - G và cytosine - C). Các base nitơ trên hai sợi DNA liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung: A liên kết với T bằng hai liên kết hydro, G liên kết với C bằng ba liên kết hydro. Nguyên tắc bổ sung này là cơ sở cho khả năng tự sao chép của DNA.
Tái bản DNA là quá trình nhân đôi phân tử DNA, đảm bảo mỗi tế bào con sau khi phân chia đều nhận được một bản sao chính xác của bộ gen. Quá trình này xảy ra trong pha S của chu kỳ tế bào và diễn ra theo cơ chế bán bảo toàn, nghĩa là mỗi phân tử DNA con được tạo thành gồm một sợi gốc từ phân tử mẹ và một sợi mới tổng hợp.
Quá trình tái bản DNA diễn ra qua ba giai đoạn chính: khởi đầu, kéo dài và kết thúc.
Giai đoạn khởi đầu bắt đầu khi enzyme helicase nhận diện và bám vào các điểm khởi đầu tái bản (origin of replication), sau đó tách đôi hai sợi DNA bằng cách phá vỡ các liên kết hydro giữa các cặp base. Việc tách sợi tạo thành cấu trúc hình chữ Y, gọi là chạc tái bản (replication fork). Protein SSB (single-strand binding proteins) gắn vào các sợi DNA đơn để ổn định chúng và ngăn chặn sự tái liên kết. Enzyme topoisomerase giúp giảm căng xoắn ở phía trước chạc tái bản, đảm bảo DNA không bị đứt gãy trong quá trình tách sợi.
Giai đoạn kéo dài là quá trình tổng hợp sợi DNA mới dựa trên sợi khuôn theo nguyên tắc bổ sung. Enzyme primase tổng hợp đoạn RNA mồi (primer) để cung cấp đầu 3'-OH tự do cho enzyme DNA polymerase hoạt động. DNA polymerase là enzyme chính tham gia tổng hợp DNA, nó gắn các nucleotide tự do vào đầu 3' của sợi mới, dựa trên trình tự base của sợi khuôn. DNA được tổng hợp theo chiều 5' → 3', do đó chỉ một trong hai sợi (sợi dẫn) được tổng hợp liên tục. Sợi kia (sợi chậm) được tổng hợp gián đoạn thành các đoạn ngắn gọi là đoạn Okazaki, sau đó được nối lại bởi enzyme ligase.
Giai đoạn kết thúc xảy ra khi chạc tái bản gặp các tín hiệu kết thúc hoặc đến điểm cuối của phân tử DNA. Enzyme exonuclease loại bỏ các đoạn RNA mồi, và các khoảng trống được lấp đầy bằng DNA bằng hoạt động của DNA polymerase. Cuối cùng, enzyme ligase nối các đoạn DNA liền mạch để hoàn thiện hai phân tử DNA con.
Cơ chế tái bản DNA đảm bảo tính chính xác cao nhờ vào các cơ chế sửa lỗi. DNA polymerase có khả năng phát hiện và sửa các nucleotide gắn sai nhờ vào hoạt động exonuclease. Sau khi quá trình tái bản hoàn tất, các cơ chế sửa chữa bổ sung tiếp tục kiểm tra và sửa lỗi để duy trì sự ổn định của thông tin di truyền.
Tái bản DNA có ý nghĩa sinh học vô cùng quan trọng. Đây là cơ chế cơ bản đảm bảo sự nhân đôi của bộ gen trước khi tế bào phân chia, từ đó truyền đạt chính xác thông tin di truyền từ tế bào mẹ sang tế bào con. Tái bản DNA cũng là cơ sở cho các quá trình di truyền, tiến hóa và đa dạng sinh học. Trong một số trường hợp, các sai sót trong quá trình tái bản, nếu không được sửa chữa, có thể dẫn đến đột biến gen, gây ra các bệnh lý hoặc tạo ra các biến dị di truyền góp phần vào quá trình tiến hóa.
Hiểu biết về tái bản DNA mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong y học, nông nghiệp và công nghệ sinh học. Trong y học, nghiên cứu cơ chế tái bản DNA giúp phát triển các phương pháp điều trị ung thư, nơi các tế bào ung thư phân chia nhanh chóng và không kiểm soát. Trong công nghệ sinh học, quá trình tái bản DNA được ứng dụng trong các kỹ thuật như PCR (phản ứng chuỗi polymerase) để nhân bản DNA, phục vụ cho các nghiên cứu di truyền, xét nghiệm pháp y và chẩn đoán bệnh. Trong nông nghiệp, nghiên cứu về tái bản DNA giúp phát triển các giống cây trồng và vật nuôi có năng suất cao, chống chịu tốt với môi trường.
Tóm lại, DNA là phân tử trung tâm trong di truyền học, mang thông tin di truyền và đảm bảo sự ổn định của bộ gen qua các thế hệ. Cơ chế tái bản DNA là một quá trình phức tạp, chính xác và hiệu quả, đóng vai trò quyết định trong sự phát triển và duy trì sự sống. Hiểu biết về DNA và cơ chế tái bản không chỉ mở ra cánh cửa khám phá bản chất của sự sống mà còn mang lại nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học, y học và đời sống.
