CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG

“Công nghệ sinh học là một tập hợp các ngành khoa học và công nghệ: sinh học phân tử, di truyền học, vi sinh vật học, hoá sinh học và công nghệ học nhàm tạo ra các quy trình công nghệ kh

GiỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG

Cơ sở lý luận

Công nghệ sinh học – Định nghĩa và phạm vi

Định nghĩa theo Hiệp định về Đa dạng sinh học của Liên hiệp

quốc:

“Những kỹ thuật ứng dụng sử dụng hệ thống sinh học, tế bào sống

hay có nguồn gốc từ tế bào sống để tạo ra hay làm thay đổi sản

phẩm, quá trình chế biến cho mục đích sử dụng riêng biệt” (FAO,

2010).

“Công nghệ sinh học là một tập hợp các ngành khoa học và công nghệ: sinh học phân tử, di truyền học, vi sinh vật học, hoá sinh học và công nghệ học nhàm tạo ra các quy trình công nghệ khai thác ở các quy mô công nghiệp các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật để sản xuất các sản phẩm có giá trị phục vụ đời sống, phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường”

Cơ sở lý luận

Định nghĩa theo Liên đoàn công nghệ sinh học Châu

Âu (EFB):

“Công nghệ sinh học là sự kết hợp của các ngành khoa

học tự nhiên và khoa học công nghệ để đạt tới những

sự ứng dụng của vi sinh vật, các tế bào, một số thành phần của tế bào nhằm tạo ra những sản phẩm và những sự phục vụ có lợi cho con người”.

CN hóa sinh

Hóa sinh hóa học

CN thực phẩm CNSH

CNSH được chia làm 3 giai đoạn chính

•Công nghệ sinh học truyền thống:

bao gồm các hoạt động vi sinh chế biến thực phẩm.

• Công nghệ sinh cận đại:

với việc sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm của công nghệ lên men, công nghệ vi sinh vật (kháng sinh, các vitamin, vaccine, kháng độc tố, các kít chẩn đoán bệnh truyền nhiễm,…).

• Công nghệ sinh học hiện đại:

sử dụng các kỹ thuật trao đổi, sửa chữa, tái tổ hợp hoặc cải tạo vật chất di truyền ở mức độ phân tử

• Do UNESCO (1985) định nghĩa: Công

nghệ sinh học là công nghệ sử dụng một

bộ phận hay tế bào riêng rẽ của cơ thể

sinh vật vào việc khai thác sản phẩm của chúng.

• Do Trường Luật Stanford (1995) định

nghĩa: Công nghệ sinh học là công nghệ chuyển một hay nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản phẩm

và chức năng của gen đó.

8

CNSH là:

• Công nghệ sinh học là sự sản xuất các

sản phẩm trên quy mô công nghiệp,

trong đó nhân tố tham gia trực tiếp và

quyết định là các tế bào sống (vi sinh vật, thực vật, động vật) Mỗi tế bào sống của

cơ thể sinh vật hoạt động trong lĩnh vực sản xuất này được xem như một lò phản ứng nhỏ.

cao dựa trên nền tảng khoa học về sự sống, kết hợp với quy trình và thiết bị kỹ thuật nhằm tạo ra các công nghệ khai thác các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vât để sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm sinh học có chất lượng cao, phục vụ cho lợi ích, nhu cầu của con người đồng thời phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường"

10

CNSH là:

CNSH bắt đầu vào:

12

Những người liên quan

Zacharias Janssen

• Discovered the principle of

the compound microscope

in 1590

• Dutch eye glass maker

Anton Van Leeuwenhoek

• Developed single lens

microscope in 1670’s

• First to observe tiny

organisms and document

observations

G Mendel

• Formulated basic laws of

heredity during mid 1800’s

• Experimented with peas

• Determined that some traits

were dominant and other

recessive

Johan Friedrich Miescher

Thomas Hunt Morgan

• Studied genetics of fruit flies

• Early 1900’s

• Experimented with eye color

• His work contributed to

the knowledge of X and Y

chromosomes

• Observed growth of molds

(Penicillium genus) in a dish that

also contracted bacteria

Alexander Fleming

• Bacteria close to the molds

were dead

• Extracting and purifying the

molds took a decade of

research

• Penicillin first used in 1941

Alexander Fleming

• Penicillin credited with saving many lives during WWII when wounded soldiers developed infections.

Rosalind Elsie Franklin

• Research in France and

England in mid 1900’s

• Led to discovery of structure

of DNA

• Her early research was used

to produce an atomic bomb

Rosalind Franklin

• Set up X ray diffraction lab

• Photographs of DNA showed that it could have a double

helix structure

Ms

Watson and Crick

• James Watson

• Francis Crick

• Collaborated to produce the

first model of DNA structure in 1953

Watson and Crick

• Described DNA dimensions

and spacing of base pairs

• Had major impact on genetic engineering carried out today

Mary Clare King

• Research into nature of DNA

during late 1900’s

• Determined that 99% of human DNA is identical to chimpanzee

Mary Clare King

• 1975 found similar gene pools between humans and

chimpanzee made it possible

to research hereditary causes

of breast cancer

Karry Mullis

• PCR-1983

Cừu Dolly

Nhân giống: Nhân bản chuyển nhân tế bào

thường là kỹ thuật sinh học tiên tiến chủ yếu được sử dụng để nhân giống động vật

1 Nhân tế bào

từ một tế bào trưởng thành

2 được chuyển sang một noãn bào chưa thụ tinh

Ứng dụng của CNSH

• CNSH trong chăn nuôi và thuỷ sản

• CNSH trong nông nghiệp

• CNSH trong xử lý môi trường

• CNSH trong chăn nuôi và thuỷ sản

• CNSH trong nông nghiệp

• CNSH trong xử lý môi trường

Sản xuất insulin bằng phương pháp cổ

điển

Sản xuất insulin người trong E.coli

Tách chiết và tinh sạch

polypeptid A và B

Cắt với cyanogen bromide

Trộn 2 polypeptide: cầu S-S

sẽ tự nhiên thành lập và

insulin được hình thành

plasmid Biến nạp

Escherichia coli

Thay thế gen bị hỏng trên người

Thí dụ : các em bé bị bệnh không sản xuất được kháng sinh

Lấy một số tế

bào gốc trong

tuỷ xương

Ghép gen bình

thường vào một

vector, chuyển

vector tái tổ

hợp vào tế bào Nuôi cấy tế bào in vitro

Chuyển tế bào mang gen bình thường vào cơ thể người bệnh

Enzyme cắt

40Một số hình ảnh về thực vật chuyển gen

Cà chua chuyển gen chín chậm

Bắp chuyển gen Bt

BT

Bt control

Bt control Control Bt

Gạo giàu VTM A

Lúa chuyển gen chịu hạn

• Theo Tổ chức Thú Y Thế giới (OIE), năm 2007

có 160 bộ kit chuẩn đoán thú y sử dụng 69 phương pháp khác nhau, trong đó 39 phương pháp dựa trên CNSH, được đưa ra thị trường

để phát hiện 57 bệnh dịch Các bộ kit chẩn đoán bệnh hiện có thể chẩn đoán được 26 trên

91 bệnh mà Tổ chức Thú Y Thế giới (OIE) coi

là "tác động xấu tới kinh tế xã hội và gây ra

hậu quả cho sức khoẻ cộng đồng".

DETECTING PATHOGEN on Psyllid

800bp

PCR can detect the pathogen in psylla

Công nghệ Sinh học trên thế giới

• Ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất và đời sống.

– Bảo vệ tài nguyên quốc gia

– Công nghệ chẩn đoán xác định giống loài, phả hệ

– Công nghệ chuyển gen cây trồng

– Công nghệ sản xuất phân sinh học

• (CN nuôi cấy mô, tế bào thực vật); trong công nghệ thực phẩm (CNTP): công nghệ lên men các chủng vi sinh tái tổ hợp;

• ứng dụng CN vi sinh xử lý ô nhiễm môi trường;

• trong y tế (ứng dụng công nghệ gen trong sản xuất protein, vaccine tái tổ hợp và chẩn đoán điều trị bệnh, CN tế bào gốc (TBG) điều trị

bệnh),

• ứng dụng CN gen trên động vật, thực vật định hướng tạo ra các sản phẩm có giá trị cao trong nông nghiệp, chế biến, môi trường và y tế; CN nuôi cấy mô, phôi

động vật

• Nhiều ứng dụng CNSH mang lại hiệu

quả như lúa lai, ngô lai, cá rô phi đơn

tính, nấm Trichoderma phòng trị bệnh

vàng lá thối rễ trên cam quýt, các loại

thuốc trừ sâu sinh học, các chế phẩm xử

lý chất thải như EM, Biomix 1 & 2, chế

phẩm sinh học xử lý môi trường nuôi

thuỷ sản

• CNSH là một trong những lĩnh vực ưu

tiên nghiên cứu như trong nông nghiệp (CN nuôi cấy mô, tế bào thực vật); trong công nghệ thực phẩm (CNTP): công

nghệ lên men các chủng vi sinh tái tổ

hợp; ứng dụng CN vi sinh xử lý ô nhiễm môi trường;

• trong y tế (ứng dụng công nghệ gen

trong sản xuất protein, vaccine tái tổ hợp

và chẩn đoán điều trị bệnh, CN tế bào

gốc (TBG) điều trị bệnh), ứng dụng CN gen trên động vật, thực vật định hướng tạo ra các sản phẩm có giá trị cao trong nông nghiệp, chế biến, môi trường và y tế; CN nuôi cấy mô, phôi động vật

• Năm 1980, những thử nghiệm chuyển gen của vi khuẩn vào cây trồng nhờ vi khuẩn

Agrobacterium tumefaciens được thực

hiện Năm 1986, những cây chuyển gen

đầu tiên được trồng thử nghiệm trên đồng ruộng Năm 1990, thực phẩm chuyển gen đầu tiên được chấp nhận ở Mỹ Năm

1994, sản phẩm cây trồng chuyển gen đầu tiên được thương mại hóa là giống cà

chua FLAVR SAVR mang gen chín chậm

• Năm 2005, diện tích cây trồng biến đổi gen là 90 triệu

ha, đến năm 2007 là 114,3 triệu ha, chiếm 8 % trong tổng diện tích canh tác toàn thế giới và có 23 quốc gia canh tác cây trồng CNSH (trong đó có 12 nước đang phát triển), đứng đầu là Hoa Kỳ, Argentina, Brazil,

Canada, Ấn Độ, Trung Quốc, Paraguay và Nam Phi

(đều có trên 1 triệu ha canh tác cây trồng CNSH) Điều này sẽ tạo sự phát triển mạnh mẽ của cây trồng CNSH trên khắp châu lục và là nền tảng cho sự phát triển của cây trồng CNSH trên toàn thế giới trong tương lai Dự kiến đến năm 2015 sẽ có 40 quốc gia tham gia canh tác cây trồng chuyển gen với diện tích đạt khoảng 200 triệu ha

• sử dụng khuẩn Bt, các loại vi nấm vào sản

xuất thuốc bảo vệ thực vật, các chủng vi nấm phân hủy xác bã động - thực vật làm phân hữu

cơ, phân sinh học, các chế phẩm sinh học,

phân vi sinh cũng đem lại nhiều lợi ích cho bà con nông dân Hơn nữa, theo Nguyễn Lân

Dũng (2005), Hoàng Kim Cơ et al (2001),

CNSH còn được xem là con đường tận dụng phế thải, biến phế thải thành tiền của nhiều

nước trên thế giới như Nhật, Mỹ, và Canada

• Phôi là một nhóm tế bào có khả năng phát

triển tạo thành cơ thể hoàn chỉnh là pha phát triển trung gian giữa hợp tử hay tế bào soma

• kỹ thuật nuôi cấy phôi đã đi một bước xa hơn thụ tinh

nhân tạo kể cả trong thành tựu về di truyền, trình độ kỹ thuật và tổ chức cần có Nuôi cấy phôi là các công

nghệ cơ bản để áp dụng cho các kỹ thuật CNSH cao hơn trong sinh sản như sinh sản vô tính và chuyển gen Trong năm 2001, tổng số phôi được cấy thành công

trên toàn cầu là 456.000 phôi, chủ yếu cho bò, trong đó Bắc Mỹ và châu Âu chiếm 62 %, Nam Mỹ 16 % và châu

Á là 11 % Khoảng 80 % bò đực giống được sử dụng trong thụ tinh nhân tạo có nguồn gốc từ nuôi cấy phôi Lợi thế tiềm năng chính của công nghệ nuôi cấy phôi ở các nước đang phát triển có thể là nhập khẩu phôi

đông lạnh thay cho nhập động vật sống

có múi, các loại hoa xuân phục vụ Tết, các loại sản phẩm kỷ niệm ở tụ điểm du lịch, sân bay, bến tàu, xe: lọ hoa lan cấy mô, lọ bon sai, mẫu bướm, côn trùng lạ v.v

(1) Phát hiện vi sinh vật có hại (nhằm phòng

ngừa dịch bệnh cây trồng vật nuôi, kiểm tra chất lượng sản phẩm):

Phát hiện vi sinh vật gây bệnh vàng lá greening

trên cây có múi,

Real-time PCR phát hiện mầm bệnh greening Vườn quýt bị đốn vì bệnh vàng lá greening

(1) Phát hiện vi sinh vật có hại (tt)

Phát hiện virus gây bệnh héo khô đầu lá cây

khóm để chọn giống cây sạch bệnh (Cộng tác với PGSTS Lê Văn Bé);

Nghiên cứu phả hệ & đa dạng di truyền:

nhận diện giống trồng vật nuôi, xác nhận

dòng thuần cây ăn trái, xác nhận nguồn gốc cây giống quốc gia… trên các cây sầu

riêng, cây măng cụt, cây có múi.

III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Sưu tập nguồn gen cây lúa & chọn tạo

giống lúa kháng rầy nâu năng suất cao,

phẩm chất tốt chống chịu phèn mặn

Thanh lọc lúa kháng rầy trong

62

Nipponbare (Japonica rice)

SURVIVING CALLI ON

SELECTION MEDIUM

NGHIÊN CỨU CHUYỂN GEN TRÊN LÚA Ở ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Source: Pham Van Kim

'hopper burn' field

BPH on the stem of rices

dwarf-yellowing and ragged stunt diseases

CHỌN TẠO GIỐNG LÚA KHÁNG RẦY

DỰA TRÊN DẤU PHÂN TỬ

Nghiên cứu phả hệ & đa dạng di truyền: nhận diện

giống trồng vật nuôi, xác nhận dòng thuần cây ăn trái, xác nhận nguồn gốc cây giống quốc gia…

trên cây xoài

CNSH CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG

5.4 ỨNG DỤNG CNSH TRONG SẢN

XUẤT PHÂN VI SINH

• Thu thập nguồn vi sinh vật và phân lập vi

khuẩn Thu các mẫu đất vùng rễ, rễ các loại

cây trồng như lúa, bắp, hoa màu từ các loại

đất khác nhau tại Thành phố Cần Thơ Sử

dụng các loại môi trường chuyên biệt để phân lập các giống vi sinh vật cố định nitơ như môi trường NFb (Kirchhof và ctv, 1997), môi trường phân lập vi khuẩn hòa tan lân NBRIP (Nautiyal, 1999) Phân lập vi sinh vật phân hủy hóa chất bảo vệ thực vật, chất độc màu da cam, ứng

dụng trong công nghệ vi sinh làm sạch môi

trường

N 2-fixing Azospirillum lipoferum

Phosphate-solubilizing Ps stutzeri

Potassium-solubilizing Bacillus subtilus

Phân sinh học bón cho cây lúa

Nông Nghiệp Công nghệ cao

(Cao Ngọc Điệp, 2011)

Sử dụng đơn giản, hiệu quả cao

Lắc đều Tưới vào hột lúa

Trộn đều

Nông Nghiệp Công nghệ cao

minh hiệu quả của các loại sản phẩm này Song song

đó, cần nghiên cứu các quy trình xử lý thích hợp để sử dụng với các loại chế phẩm này để nâng cao hiệu quả kinh tế của việc sử dụng các loại chế phẩm để xử lý nước thải, các phế phẩm thủy sản bằng vi sinh vật, enzyme, các tế bào bất động (immobilized cell) - Loại

bỏ kim loại nặng bằng các vi sinh vật Sản xuất phân compost từ rác; sản xuất biogas từ rác; sản xuất

ethanol và đạm đơn bào từ rác

(Lê Hoàng Việt, 2011)

• - Hoàn thiện và chuyển giao công nghệ sử dụng màng sinh học kết hợp công nghệ enzyme trong cải thiện

phẩm chất và khả năng bảo quản các loại quả nhiệt đới.

ỨNG DỤNG CNSH TRONG CHẾ BIẾN

NÔNG SẢN

• - Nghiên cứu sản xuất enzyme phytase từ vi

sinh vật trên qui mô công nghiệp, từ đó tạo tiền

đề cho việc nghiên cứu bổ sung enzyme phytase kết hợp với các thành phần vi lượng trong việc nâng cao chất lượng các sản phẩm

từ ngũ cốc

• - Sản xuất một số loại enzyme vi sinh vật có

tiềm năng và sử dụng trong cải thiện cấu trúc

và cảm quan nông sản trong quá trình bảo quản và chế biến

(Nguyễn Văn Mười, 2011)

CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

TRONG CHẾ BIẾN NÔNG SẢN

CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

TRONG CHẾ BIẾN NÔNG SẢN

Ứng dụng màng sinh học trong duy trì chất lượng

và kéo dài thời gian bảo quản nông sản

Protein: nguồn gốc động vật (casein, whey, collagen, gelatin…),

nguồn gốc thực vật (đậu nành, gluten, zein)

Lipid: sáp

Sử dụng các loại màng sinh học trích ly

Carbohydrate: Màng tinh bột (khoai tây, bắp, bột mì, gạo…), màng cellulose

(sợi bông, gỗ…), màng chất keo (guar, alginate, pectin, carragenaan…), màng chitosan/chitin

Protein: nguồn gốc động vật (casein, whey, collagen, gelatin…),

nguồn gốc thực vật (đậu nành, gluten, zein)

Lipid: sáp

Màng tổng hợp như polylactate

(4) Sử dụng enzyme trong chế biến trái cây

& trừ côn trùng Sử dụng enzyme pectinase

và glucose oxidase trong chế biến trái cây sơ

ri Sử dụng enzyme papain thủy phân dịch bã men bia tạo chế phẩm dẫn dụ ruồi đục quả

(Bactrocera dorsalis)

(4) Sử dụng enzyme trong chế biến trái cây

ỨNG DỤNG CNSH TRONG LÊN MEN

VÀ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM

• - Nghiên cứu các đề tài sản xuất enzyme từ vi sinh vật trên qui mô công nghiệp để hỗ trợ cho chế biến thực phẩm là điều rất cần được quan tâm, nhằm thay thế cho các enzyme nhập

khẩu từ nước ngoài với giá thành rất đắt Ví dụ

cụ thể là sản xuất enzyme cellulase và

-amylase cung cấp cho sản xuất bia,…enzyme bromelain và papain trong việc thủy phân các protein, làm mềm thịt…

• - Nghiên cứu ứng dụng enzyme trong

sản xuất thực phẩm làm thức ăn cho trẻ

em, đường chức năng fructo

oligosaccharide, đường cyclodextrins,

các sản phẩm đồ uống như rượu, bia,

nước giải khát.