Đây là một ngành mũi nhọn, hiện đang được cả thế giới quan tâm do có tốc độ phát triển nhanh chóng và đang tạo ra một cuộc cách mạng sinh học trong nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, y
Trang 1PHẦN 1 - MỞ ĐẦU
Công nghệ sinh học là ngành khoa học ứng dụng hiểu biết của con người
về các hệ thống sống để sử dụng các hệ thống này hoặc các thành phần của chúng cho các mục đích công nghiệp Đây là một ngành mũi nhọn, hiện đang được cả thế giới quan tâm do có tốc độ phát triển nhanh chóng và đang tạo ra một cuộc cách mạng sinh học trong nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, y -dược, bảo vệ môi trường, vật liệu… Công nghệ sinh học nếu được sử dụng hợp lý
sẽ cho chúng ta những khả năng tiềm tàng và những thực phẩm tốt hơn cho sức khỏe, giảm bớt sự phụ thuộc vào các loại nhiên liệu, mở ra những khả năng chữa trị các dịch bệnh hiệu quả hơn
Sự phát triển của công nghệ sinh học đã tạo điều kiện khai thác tốt nhất khả năng kỳ diệu của sinh vật vào quy trình sản xuất ở quy mô công nghiệp Những tiến bộ đó của công nghệ sinh học ngày càng xâm nhập sâu vào mọi lĩnh vực hoạt động của đời sống con người Từ các sản phẩm công nghệ lên men truyền thống đến các sản phẩm của công nghệ sinh học hiện đại như: sinh vật biến đổi gene, động vật nhân bản, nuôi cấy tế bào gốc, công nghệ sinh học nanô đã cho thấy phạm vi nghiên cứu và ứng dụng của công nghệ sinh học ngày càng mở rộng và đa dạng, hướng đến một sự phát triển mới là nền công nghiệp công nghệ sinh học Điều này cho thấy công nghệ sinh học chính là sự phối hợp của khoa học và công nghệ để khai thác những kiến thức về các hệ thống sống cho các ứng dụng thực hành
Trong kỹ thuật di truyền, kỹ thuật tái tổ hợp DNA (Recombinant DNA technology) là kỹ thuật nền tảng và cơ bản nhất, do đó người ta thường gọi kỹ thuật tái tổ hợp DNA là kỹ thuật di truyền
Sự ra đời của kỹ thuật tái tổ hợp DNA đã làm thay đổi vĩnh viễn bản chất của công nghệ sinh học Nhờ kỹ thuật này, việc tối ưu hoá giai đoạn chuyển hoá
Trang 2sinh học của một quá trình công nghệ sinh học đã đạt được một cách trực tiếp hơn Kỹ thuật di truyền đã cung cấp những phương tiện để có thể tách được những chủng vi sinh vật cho sản lượng cao Hơn nữa, các vi sinh vật và các tế bào nhân chuẩn có thể được sử dụng để sản xuất các loại protein, các hormone sinh trưởng, các interferon… phục vụ con người Ngoài ra, kỹ thuật DNA tái tổ hợp còn thuận lợi cho việc sản xuất những chất có ích, có trọng lượng phân tử thấp và các đại phân tử sinh học có trong tự nhiên với lượng rất nhỏ Thực vật và động vật đã trở thành mục tiêu là các lò phản ứng sinh học tự nhiên để sản xuất ra các sản phẩm mới hay các sản phẩm của gene đã bị biến đổi mà các phương pháp gây đột biến, chọn lọc và lai không bao giờ tạo ra được Qua đó, tạo nên những sinh vật mới phục cho những nhu cầu càng cao của con người về vấn đề lương thực thực phẩm, vấn đề dinh dưỡng, môi trường… Bên cạnh đó, kỹ thuật tái tổ hợp DNA cũng thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp trị liệu và các hệ thống chẩn đoán hoàn toàn mới, từ đó mở ra một thứ mới đầy tiềm năng trong việc chữa bệnh cho con người
Ngoài ra, thành tựu của công nghệ sinh học còn thể hiện rõ nét trong lĩnh vực y tế, sức khỏe Những thành tựu mới nhất của công nghệ sinh học đã được áp dụng trong y tế như: trị liệu protein chữa trị một số bệnh hiểm nghèo như ung thư, nhiễm virus và hiện đang thử nghiệm chữa bệnh AIDS vv…
Trang 3PHẦN 2 - NỘI DUNG
A NHỮNG THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ VI SINH TRONG Y TẾ, BẢO VỆ SỨC KHOẺ CỘNG ĐỒNG, ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU, LIÊN HỆ THỰC TẾ
1 Những thành tựu công nghệ vi sinh trong y tế, bảo vệ sức khoẻ cộng đồng
Đầu thế kỉ XX, nhân loại phải đối đầu với cái chết do các dịch bệnh gây ra,
tỷ lệ chết sơ sinh lên tới 25%, chết trẻ em cũng lên tới 25% Đời sống của mọi người vất vả, nghèo đói, thiếu chất dinh dưỡng, dịch bệnh gây ra chết hàng loạt
mà không phương cứu chữa, chính những hiểm họa đó đã đã thúc đẩy việc nghiên cứu để tìm ra nguyên nhân gây bệnh và các thuốc đặc trị tiêu diệt các vi khuẩn, virus là các vaccine và các chất kháng sinh Vì vậy CNVS trong y tế đã ra đời, với những thành tựu rất nổi bật như:
1.1 Sản xuất các chất kháng sinh dùng trong điều trị [4]
Sản xuất kháng sinh là một trong những ứng dụng thương mại quan trọng nhất trong việc phát triển quy trình nuôi cấy vi sinh vật ở quy mô công nghiệp Hàng trăm loại kháng sinh đang được sản xuất với số lượng lớn, trong đó quan trọng nhất vẫn là sản xuất penicillin và streptomycin Hiện nay hiệu suất sinh tổng hợp chất kháng sinh đã tăng lên hàng ngàn lần so với trước nhờ việc hoàn thiện quy trình nuôi cấy và tạo ra những chủng mới cho năng suất cao Ước tính mỗi năm trên thế giới sản xuất khoảng 100.000 tấn kháng sinh với doanh thu 5 tỷ USD, bao gồm cả hơn 100 triệu USD cho các kháng sinh sử dụng trong thứcd ăn gia súc
và sử dụng như là các kích tố tăng trưởng ở động vật
1.2 Sản xuất thuốc bằng công nghệ DNA tái tổ hợp [5]
+ Sản xuất insulin tái tổ hợp: việc sản xuất insulin ở quy mô công nghiệp là một trong những thành công nổi bật nhất và sớm nhất của công nghệ sinh học hiện đại Người ta đã chuyển gene mã hóa tính trạng sản xuất insulin của người sang cho
Trang 4sản phẩm thương mại của insulin (được sản xuất từ nấm men S cerevisiae tái tổ
hợp) hiện đang được sử dụng là: Actrapid và Novolog (NovoNordisk)
+ Sản xuất interferon: bằng phương pháp công nghệ DNA tái tổ hợp tương tự như insulin, hiện nay người ta có thể thu nhận một lượng lớn interferon thông qua các cơ thể vi sinh vật đã được tái tổ hợp gene để phục vụ cho việc điều trị các bệnh nhiễm trùng như viêm gan B, viêm gan C, một số bệnh ung thư
do virus Thu nhận interferon từ nấm men S cerevisiae có có thể cho hiệu suất cao gấp 10.000 lần so với tế bào E coli tái tổ hợp.
+ Sản xuất các loại hormone dùng trong trị liệu:
- Hormone sinh trưởng người (human growth hormone - HGH): hiện nay,
HGH đã được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp thông qua E coli với một hiệu suất rất lớn (1 lít dịch lên men của E coli thu được HGH tương đương với
lượng chất này thu được từ 60 tử thi)
- Somatostatin: phân lập gene mã hóa somatostatin hoặc tổng hợp trong ống
nghiệm sau đó thiết kế vector tái tổ hợp rồi chuyển vào E coli Mỗi mẻ nuôi cấy 7,5l vi khuẩn E coli này sẽ cho ra 5 mg somatostatin nguyên chất Trước đây,
muốn có khối lượng hormone này phải tiến hành cả năm trên nguyên liệu lấy từ nửa triệu não cừu
+ Sản xuất vaccine: sản xuất vaccine kỹ thuật gene là một lĩnh vực phát triển mạnh hiện nay của công nghệ DNA tái tổ hợp Đây là loại vaccine được bào chế từ
vi khuẩn đã được chuyển gene mã hóa tổng hợp một protein kháng nguyên của một loại virus hay một loại vi khuẩn gây bệnh nào đó Hiện nay, các loại vaccine kỹ thuật gene được sử dụng cho người bao gồm vaccine viêm gan B, vaccine dại kiểu mới, vaccine tả kiểu mới, vaccine sốt rét, vaccine bệnh phong…
Một số loại protein trị liệu khác mà trong quá trình tổng hợp chúng phải trải qua giai đoạn hậu dịch mã (glycosyl hoá) nên không thể dùng vi khuẩn làm vật chủ thì nay v ới việc chuyển gene vào các hệ thống
Trang 5biểu hiện của nấm men và nấm sợi (eukaryote) người ta cũng đã bước đầu thành công trong việc sản xuất ra các loại protein này
1.3 Sản xuất enzyme dùng trong trị liệu [5]
Trong tương lai gần, enzyme sẽ được sử dụng rộng rãi trong y học để làm đầu dò (probe) cho các thiết bị phân tích y khoa và để chữa bệnh Hiện nay, một
số enzyme như: glucooxydase, hexokinase, esterase, urease, cholesteroloxydase, alcoholdehydrogenease… đã được sử dụng khá phổ biến trong y học Điển hình nhất là sử dụng glucooxydase cố định trên bề mặt điện cực platinum trong thiết
bị phân tích hàm lượng glucose máu Trong y học, enzyme còn được sử dụng
để chữa trị một số bệnh liên quan đến sự thiếu hụt của một số enzyme trong cơ thể người, hoặc dùng enzyme để loại bỏ những cục thịt, mỡ dư thừa gây nguy hiểm cho một số bộ phận của cơ thể người Chẳng hạn: dùng enzyme streptokinase và urokinase để làm tan máu đông làm tắc nghẽn mạch máu
1.4 Sản xuất vaccine
Vaccine là chế phẩm kháng nguyên gây trạng thái miễn dịch mà không gây bệnh Dùng để kích thích đáp ứng miễn dịch nguyên phát, làm tăng tế bào nhớ và khả năng đáp ứng miễn dịch nhớ khi tiếp xúc với kháng nguyên lần sau Vaccine được sản xuất ra dưới dạng tế bào chết hoặc tế bào đã làm bất hoạt không có khả năng gây bệnh Đa số vaccine được dùng cho trẻ em trong chương trình tiêm chủng mở rộng có tác dụng phòng ngừa các bệnh nhiễm trùng.Với những thành tựu của sinh học phân tử và kỹ thuật gene dựa trên nguyên lý của L Pasteus đã tìm ra vaccine tương ứng bảo vệ sức khỏe cộng đồng
2 Ứng dụng của công nghệ vi sinh trong sản xuất rượu
Đây là lĩnh vực công nghệ sinh học chiếm tỉ lệ và doanh số lớn nhất Sản xuất có thể ở quy mô công nghiệp và ở gia đình
Quy trình chưng cất rượu gồm các bước cơ bản sau:
Trang 6- Xử lý tạo dịch chứa đường để lên men
- Sung mồi (nấm men) và tiến hành lên men cho đến khi đạt độ cồn khoảng 9 - 11% theo thể tích thì dừng lại
- Tiến hành gạn, hoặc lọc để loại xác men và chưng cất rượu
- Ủ đối với rượu whisky, hoặc vô chai với rượu gin và vodka
Tuy nhiên, cần lưu ý đến những đặc điểm trong sản xuất của từng loại rượu riêng biệt Chủng nấm men dùng trong sản xuất rượu công nghiệp phải chịu được nồng độ cồn tới 12 - 15% theo thể tích Ngoài ra, chúng còn cần phải có khả năng thủy phân các olygosaccharide của ngũ cốc thành glucose, điều này cần thiết để biến đổi hoàn toàn tinh bột ngũ cốc thành ethanol và CO2
Vì quá trình chưng cất rất tốn kém về mặt năng lượng, nên hiện nay các nghiên cứu công nghệ sinh học trong lĩnh vực này đang chú ý tới việc tạo ra các chủng nấm men chịu được nồng độ cồn cao hơn nữa Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất tạo cồn người ta thường bổ sung enzyme thủy phân tinh bột vào khâu
xử lý nguyên liệu ban đầu
Trang 7B CÔNG NGHỆ DNA TÁI TỔ HỢP, KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG, LIÊN HỆ THỰC TẾ
1 Khái niệm về kỹ thuật tái tổ hợp DNA
Kỹ thuật DNA tái tổ hợp (Recombinant DNA technology), hay còn gọi bằng các thuật ngữ khác như kỹ thuật di truyền, kỹ nghệ gene, là công nghệ sử dụng các nguyên lý của thao tác gene để tạo ra cấu trúc của DNA tái tổ hợp từ các nguồn DNA khác nhau,thường là sự kết hợp giữa DNA hay gene ngoại lai (còn gọi là gene đích) với DNA hệ gene của vật chủ và biểu hiện được gene đó thành protein có hoạt tính trong cơ thể vật chủ [2]
Kỹ thuật DNA tái tổ hợp ra đời trên cơ sở hàng loạt thành tựu của sinh học phân tử trong việc tách, cắt, nối, chép, chuyển và cho gene biểu hiện đúng như mong muốn.nó có vai trò cách mạng hoá đối với sự phát triển của sinh học và tạo
ra quyền lực ghê gớm cho con người trong việc cải tạo sinh giới và bản thân mình Đồng thời, việc nghiên cứu về kỹ thuật DNA tái tổ hợp và các phương pháp dẫn xuất của nó có ý nghĩa quan trọng là trang bị phương pháp luận mới để
đi sâu vào bản chất của sự sống [8]
Trang 82 Các khâu cơ bản của công nghệ DNA tái tổ hợp
a Phân lập DNA/gene
Một số phương pháp phân lập gene để thực hiện kỹ thuật tái tổ hợp DNA
đã được sử dụng là:
+ Tách các đoạn DNA từ geneome: dùng enzyme cắt hạn chế để cắt DNA
hệ gene thành những đoạn có kích thước khoảng 20kb
+ Sinh tổng hợp cDNA từ mRNA: tách chiết mARN rồi sử dụng enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase) tổng hợp nên cDNA sợi đơn, từ DNA sợi đơn này sẽ tổng hợp được cDNA sợi kép bằng enzyme DNA polymerase I
+ Phân lập đoạn DNA bằng phương pháp PCR: dùng enzyme Taq polymerase, cặp primer đặc hiệu và các nguyên liệu cần thiết khác có thể tổng hợp được một lợng lớn DNA trong một thời gian ngắn
b Tạo dòng DNA
Gồm các bước:
+ Thiết kế vector tái tổ hợp: đoạn DNA ngoại lai và vector cùng được cắt bằng một loại enzyme cắt để tạo các đầu dính rồi chúng được gắn lại với nhau nhờ enzyme nối ligase
+ Biến nạp vector tái tổ hợp vào tế bào vật chủ: dùng phương pháp thích hợp để chuyển vector tái tổ hợp vào tế bào nhận: điện biến nạp, hoá biến nạp, súng bắn gene, sốc nhiệt, vi tiêm…
+ Chọn dòng mang DNA tái tổ hợp: để thu nhận đúng dòng tế bào mang plasmid tái tổ hợp thể dùng ba phương pháp cơ bản là lai khuẩn lạc, khử hoạt tính bằng đoạn chèn và tạo dòng định hướng
c Biểu hiện gene được tạo dòng
Các gene sau khi đã được tạo dòng nếu muốn thu nhận sản phẩm cuối cùng
là protein thì phải được gắn vào các vector biểu hiện rồi chuyển vào tế bào chủ để tạo điều kiện cho chúng được biểu hiện
Trang 93 Các ứng dụng của công nghệ DNA tái tổ hợp, liên hệ thực tế
Công nghệ DNA tái tổ hợp hiện nay có rất nhiều ứng dụng trong đời sống Các ứng dụng này bao gồm sản xuất dược phẩm và các loại hóa chất khác, các vi khuẩn đặc biệt, các cây trồng nông nghiệp quan trọng, và các vật nuôi đã được biến đổi di truyền Kỹ thuật này cũng được sử dụng rộng rãi trong các xét nghiệm y khoa và còn được dùng để kiểm tra các khiếm khuyết
di truyền ở người Dưới đây là các ứng dụng chính của công nghệ DNA tái tổ hợp
3.1 Ứng dụng trong dược phẩm [7]
Sản phẩm thương mại đầu tiên được phát triển bằng công nghệ DNA tái tổ hợp là các dược phẩm dùng trong điều trị các bệnh và các rối loạn ở người Năm
1979, bắt đầu sản xuất thương mại insulin người bằng công nghệ DNA tái tổ hợp Trước thời điểm này, tất cả insulin dùng trong điều trị bệnh tiểu đường được tách chiết từ tụy của các vật nuôi cho thịt Mặc dù nguồn insulin này có tác dụng tốt cho nhiều người mắc bệnh tiểu đường, nhưng nó vẫn không phải là insulin người, và một số người đã trải qua các phản ứng phụ với protein ngoại lai Gene insulin người sau đó đã được chèn vào plasmid và chuyển vào vi khuẩn để sản xuất insulin người Các dược phẩm được sản xuất thông qua công nghệ DNA tái tổ hợp bao gồm: hormone sinh trưởng người (cho trẻ em mắc bệnh còi), nhân tố tạo tơ huyết (chữa bệnh khó đông máu), hoạt tố plasminogene mô (dùng để hòa tan các huyết khối trong bệnh nhân bị nhồi máu cơ tim), interferon, interleukin, DNA vaccine…
3.2 Ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp
Công nghệ DNA tái tổ hợp cũng đã có một ảnh hưởng quan trọng đến sản xuất nông nghiệp, nơi mà hiện nay nó được dùng để tạo ra các cây trồng và vật nuôi mang các đặc điểm có giá trị Cây trồng công nghệ sinh học mang lại lợi ích với việc cung cấp nhiều thực phẩm, thức ăn gia súc và sợi hơn, đồng thời đòi
Trang 10hỏi ít thuốc trừ sâu hơn, duy trì chất lượng đất tốt hơn và có lợi hơn cho việc bảo
vệ môi trường bền vững
Các nhà di truyền học đã tạo ra nhiều loài cây trồng kháng virus bằng cách chuyển các gene vỏ protein của virus vào tế bào thực vật Nhiều loại cây trồng kháng sâu bệnh cũng được tạo ra như ngô, cà chua, khoai tây và bông
mang gene độc tố của vi khuẩn Bacillus thuringiensis Gene này đã sản xuất độc
tố đối với côn trùng trong cây, và sâu bướm khi ăn cây đã bị chết
Công nghệ DNA tái tổ hợp cũng đã cho phép phát triển tính kháng chất diệt cỏ ở thực vật Một vấn đề quan trọng trong nông nghiệp là điều khiển các
cỏ dại cạnh tranh nước, ánh sáng và chất dinh dưỡng với cây trồng Mặc dù chất diệt cỏ có tác dụng giết cỏ dại, nhưng chúng cũng có thể gây nguy hiểm cho cây trồng Các gene cung cấp tính kháng cho nhiều loại chất cỏ dại đã được chuyển vào
cà chua, đậu tương, bông, cây cải dầu và các cây trồng thương mại quan trọng khác Khi đồng ruộng có canh tác các cây trồng này được phun thuốc diệt cỏ, thì cỏ dại bị giết nhưng các cây trồng biến đổi di truyền lại không bị ảnh hưởng
Bên cạnh đó là việc chuyển gene chịu lạnh cho các cây lương thực, thực phẩm trồng ở các nước ôn đới, đặc biệt là cho thuốc lá và khoai tây, vốn là những cây ít chịu lạnh Cũng đã có những thành công trong việc chuyển gene kháng hạn
và kháng mặn cho cây trồng Các nhà nghiên cứu ở Viện Công nghệ khoa học thực vật Thụy Sĩ đã thành công trong việc tạo ra giống lúa "vàng" chứa phong phú beta-caroten (vitamin A) và giống lúa này đã được Quỹ Rockefeller tài trợ để triển khai
ở một số nước đang phát triển Với giống lúa này người ta hy vọng sẽ cứu được nhiều người trong số 500 000 người bị mù lòa trên thế giới hàng năm [2]
Tính đến năm 2005, sau 10 năm canh tác theo công nghệ sinh học đã có tới
400 triệu hécta cây trồng theo công nghệ sinh học được cải thiện nhờ kĩ thuật gene
đã được đưa vào canh tác Mỹ là nước đi đầu về diện tích cây trồng theo công nghệ sinh học với hơn 48 triệu ha, tiếp theo là Argenetina (16 triệu ha), Canada (6 triệu