Quá trình tái bản DNA (DNA replication) là một quá trình quan trọng giúp tế bào sao chép vật liệu di truyền của mình, đảm bảo rằng khi tế bào phân chia, mỗi tế bào con đều có một bản sao hoàn chỉnh của DNA. Quá trình này xảy ra trong suốt chu kỳ tế bào, đặc biệt là trong pha S (Synthesis phase) của chu kỳ tế bào.

1. Quá trình tái bản DNA
Tái bản DNA là một quá trình phức tạp và được kiểm soát chặt chẽ. Quá trình này có thể được chia thành các bước chính sau:

Bước 1: Mở xoắn kép DNA (Unwinding of the DNA double helix)
Enzyme helicase là enzyme chịu trách nhiệm mở xoắn kép của DNA. Helicase sẽ tách hai mạch đơn của DNA bằng cách phá vỡ các liên kết hydro giữa các base nito (A, T, C, G), tạo thành cấu trúc gọi là "replication fork" (chân sao chép).
Enzyme topoisomerase giúp giải quyết các siêu xoắn (supercoiling) xảy ra ở vùng phía trước vùng mở xoắn, ngăn không cho DNA bị xoắn lại quá mức.
Bước 2: Cố định và chuẩn bị các mạch mẫu (Primer synthesis)
Để bắt đầu quá trình sao chép, cần có một đoạn ngắn RNA gọi là primer. Enzyme primase tạo ra primer này, cung cấp một đầu tự do (OH group) để DNA polymerase có thể bắt đầu sao chép.
Primer chỉ cần có độ dài từ vài nucleotide, sau đó sẽ bị loại bỏ sau khi quá trình tái bản hoàn thành.
Bước 3: Tổng hợp mạch DNA mới
DNA polymerase là enzyme chính tham gia vào quá trình này. DNA polymerase di chuyển theo chiều từ 3' → 5' trên mạch mẫu và tổng hợp mạch mới theo chiều từ 5' → 3'.
Trên mạch khuôn (template strand), một mạch mới được tổng hợp liên tục theo chiều mở rộng của "replication fork" – mạch này gọi là mạch dẫn (leading strand).
Trên mạch còn lại, mạch DNA mới không thể tổng hợp liên tục do hướng di chuyển ngược lại chiều của quá trình sao chép. Vì vậy, mạch này được tổng hợp theo đoạn ngắn, gọi là mạch chậm (lagging strand), tạo thành các đoạn Okazaki. Các đoạn này sau đó được nối lại với nhau bởi enzyme ligase.
Bước 4: Sửa chữa và hoàn thiện
Sau khi quá trình sao chép hoàn thành, DNA polymerase sẽ kiểm tra các lỗi sao chép và sửa chữa chúng thông qua cơ chế sửa sai (proofreading).
Các đoạn primer RNA sẽ được loại bỏ và thay thế bằng DNA.
Cuối cùng, enzyme DNA ligase nối các đoạn DNA lại với nhau, tạo ra một chuỗi liên tục.
2. Kết quả của quá trình tái bản DNA
Kết quả cuối cùng của quá trình tái bản DNA là tạo ra hai phân tử DNA con. Mỗi phân tử này đều gồm một mạch cũ (mạch mẫu) và một mạch mới được tổng hợp (mạch bổ sung).
Do quá trình sao chép là bán bảo tồn (semi-conservative), mỗi phân tử DNA con sẽ bao gồm một mạch từ phân tử DNA cũ và một mạch mới được tổng hợp. Điều này đảm bảo tính chính xác của thông tin di truyền.
3. Ý nghĩa của quá trình tái bản DNA
Quá trình tái bản DNA có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự sống và sự phát triển của các sinh vật:

Đảm bảo sự truyền tải thông tin di truyền: Tái bản DNA đảm bảo rằng mỗi tế bào con khi phân chia sẽ nhận được một bản sao chính xác của bộ gen, từ đó duy trì tính liên tục và ổn định của thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào.
Hỗ trợ trong quá trình phân chia tế bào: Quá trình tái bản DNA là cần thiết cho sự phân chia tế bào (mitosis và meiosis). Nếu quá trình sao chép DNA không chính xác, tế bào con sẽ không nhận đủ hoặc có sự sai lệch thông tin di truyền, có thể dẫn đến bệnh lý di truyền hoặc ung thư.
Cải thiện khả năng sửa chữa lỗi: Quá trình sao chép DNA cũng giúp tế bào nhận ra và sửa chữa các sai sót trong khi sao chép, từ đó bảo vệ bộ gen khỏi các đột biến có thể gây ra các bệnh lý.
Tạo điều kiện cho sự tiến hóa: Tái bản DNA không chỉ giúp truyền tải thông tin di truyền mà còn tạo cơ hội cho sự thay đổi gen trong quá trình tái bản, từ đó thúc đẩy sự phát triển và tiến hóa của loài qua các thế hệ.

Quá trình tái bản DNA là một quá trình sinh học vô cùng quan trọng và tinh vi, giúp tế bào đảm bảo tính chính xác và ổn định của thông tin di truyền trong suốt quá trình phát triển và phân chia. Từ kết quả của quá trình này, các sinh vật có thể duy trì sự sống, phát triển và tiến hóa qua các thế hệ.