nhập môn công nghệ sinh học

Kỹ thuật di truyền, kỹ thuật protein, hóa miễn dịch, nuôi cấy tế bào, công nghệ quá trình sinh học Lĩnh vực ứng dụng: dược phẩm, chăm sóc sức khỏe, chế biến thực phẩm, công nghệ lên me

Trang 1

NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

1

Trang 2

Kỹ thuật di truyền, kỹ thuật

protein, hóa miễn dịch, nuôi cấy

tế bào, công nghệ quá trình sinh học

Lĩnh vực ứng dụng: dược

phẩm, chăm sóc sức khỏe, chế biến thực phẩm, công nghệ lên men, chăn nuôi, trồng trọt, năng lượng, môi trường, công cụ chẩn đoán

Các lĩnh vực nền tảng: Sinh lý

động thực vật, sinh học phân tử, sinh học tế bào, miễn dịch học,

vi sinh vật học, sinh hóa, di

truyền học, kỹ thuật hóa học

Trang 3

GIỚI THIỆU

NỘI DUNG

3

“White” biotechnology Thực phẩm lên men

Enzyme công nghiệp & ứng dụng CNSH trong xử lý môi trường Nhiên liệu sinh học

“Red” biotechnology Các chất kháng sinh

Vaccine Nuôi cấy tế bào động vật Test kit

“Green” biotechnology Nuôi cấy mô thực vật

Cây trồng biến đổi gene Sản phẩm thứ cấp từ nuôi cấy TB thực vật Phân bón, thuốc trừ sâu sinh học

Trang 4

1 Phạm Thành Hổ 2005 Nhập môn công nghệ sinh học NXB

Giáo dục, Hà Nội.

2 Kiều Hữu Ảnh 1999 Giáo trình vi sinh vật học công nghiệp

NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.

3 Phạm Văn Ty, Vũ Nguyên Thành 2006 Công nghệ sinh học

T5: Công nghệ vi sinh và môi trường NXB Giáo dục, Hà Nội.

4 Okafor, N 2007 Industrial microbiology and biotechnology

Science Publishers

4

TÀI LiỆU THAM KHẢO

GIỚI THIỆU

Trang 6

THỰC PHẨM LÊN MEN

Trang 7

Một số đặc điểm của quá trình lên men truyền thống

- Quá trình lên men thường được thực hiện bởi

nhiều nhóm VSV

- Quá trình lên men có thể trải qua nhiều giai

đoạn với những nhóm VSV khác nhau chiếm ưu

thế

- Sử dụng nhiều cơ chất khác nhau theo thứ tự ưu

tiên

- Có thể có các quan hệ cộng sinh hoặc đối kháng

giữa các nhóm VSV thực hiện quá trình lên men

Trang 8

 Tăng giá trị dinh dưỡng

 Tăng thời gian bảo quản

Trang 9

Tăng giá trị dinh dưỡng: giảm HL phytate

Trang 10

Tăng chất lượng và thời gian bảo quản: Sử dụng chủng giống có khả năng tạo nisin (kháng sinh peptide) hạn chế quá trình tạo thành khí và nặng

mùi của phô mai do VK Clostridium tyrobutyricum

Trang 11

Phân loại thực phẩm lên men:

 Theo quy mô: sản xuất theo quy mô công nghiệp hoặc truyền thống

 Theo nguyên liệu: sản phẩm lên men từ thịt, thủy sản, ngũ cốc, các cây họ đậu

 Theo đối tượng thực hiện: sản phẩm lên men nhờ vi khuẩn, nấm mốc, nấm men

Trang 12

Sản xuất và tiêu thụ một số sản phẩm lên men ở Mỹ (số liệu 2001-2004)

Trang 13

So sánh công nghệ lên men truyền thồng & hiện đại

Trang 14

Nghiên cứu & phát triển bia

 Bia chứa ít năng lượng (<120 cal/340 ml): thủy phân và lên men triệt để carbohydrate, giảm nồng độ cồn

 Bia không cồn (ethanol < 0,5%): áp dụng quá trình lọc thẩm tích (dialysis) hoặc thẩm thấu ngược (reverse osmosis)

Trang 15

 Bia độ cồn cao: hạ nhiệt độ bia < - 4oC, loại

bỏ đá  bia có độ cồn cao hơn, hương vị đậm

đà hơn

 Quá trình lên men tỷ trọng cao

(high-gravity fermentation): lên men dịch đường

hóa có tỷ trọng lớn hơn bình thường (đậm

đặc hơn!)  nấm men chịu đựng áp suất

thẩm thấu & nồng độ cồn cao hơn,  tăng

công suất, tăng hiệu quả sử dụng thiết bị

Trang 16

Một vài cố gắng cải thiện giống nấm men:

- Chuyển gene mã hóa glucoamylase  lên men triệt để dextrin  bia ít năng lượng

- Chuyển gene mã hóa β-glucanase thủy phân β-glucan (có trong malt, tác nhân làm đục bia, tạo mùi hắc, làm cản trở quá trình lọc trong)

Trang 17

Trang 18

Nghiên cứu & phát triển nước mắm

Cá + muối

Chiết rút Chượp chín

Ủ (2 ngày)

Dịch cá

Lên men (6-12 thg)

Nước mắm cốt

Nước muối

Phối trộn

Lên men lần 2

Bã chượp

Dịch nước mắm

Nước mắm thành phẩm

Bã

Trang 20

ENZYME CÔNG NGHIỆP

Doanh số ước tính của enzyme công nghiệp

năm 2010 khoảng 2,3 tỷ USD: bột giặt 34%,

thực phẩm 27%, nông nghiệp & chăn nuôi

16%, khác 10%

Hơn 60% enzyme trên thị trường là protein tái tổ hợp

Trang 21

MỘT SỐ ENZYME CÔNG NGHIỆP

Trang 22

Trang 23

Trang 24

Ứng dụng của enzyme trong sản xuất nước quả

Trang 25

Ứng dụng của

enzyme trong

chế biến tinh

bột

Trang 26

Các hướng phát triển của enzyme công nghiệp:

Trang 27

(Burton et al., 2002)

Nghiên cứu & phát triển

Trang 28

Quá trình chuyển hóa sinh học lý tưởng

 Tìm kiếm nguồn gene từ các vi sinh vật thích nghi với điều kiện khắc nghiệt (extremophiles)

Trang 29

(Burton et al., 2002)

Trang 30

(Luetz et al., 2008)

Trang 31

Imperfect enzyme

Protein modeling  suggestions for mutations

Directed evolution

Site-directed mutagenesis  few variants

Random mutagenesis 

10 3 -10 6

variants Expression,

production, investigation of properties

Expression, screening/selection,produc tion, investigation of

properties Desired variant

Improvement

by subsequent cycles

Trang 32

Enzyme Nhiệt độ ( o C) Chuyển hóa Ứng dụng

α-amylase 90-100 Tinh bột  dextrose SX tinh bột, bánh

kẹo, bia, bột giặt Pullulanase 55-65 Tinh bột  dextrose Glucose syrups Cellulase 65-105 Cellulose  glucose Thủy phân

cellulose Protease 65-85 Protein  amino acid

& peptide

SX bánh kẹo, bia, bột giặt

Trang 33

(Luetz et al., 2008)

Trang 34

2010 Nghiên cứu ứng dụng enzyme trong chế biến hạt

tiêu trắng để nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm

Mô hình 400-500 kg/me

2010 Nghiên cứu sản xuất một số thực phẩm chức năng

từ đậu tương

Chủng VSV tạo isoflavon, acid gamma

aminobutyric;

500-700 kg/me

2010 Nghiên cứu công nghệ sản xuất enzyme phytase tái

tổ hợp từ nấm men

Chủng VSV; quy

mô 70 L/me

2010 Nghiên cứu công nghệ sản xuất chế phẩm

Phenyllactic acid từ vi khuẩn lactic phục vụ bảo quản nông sản và thực phẩm

02 chủng VK sinh Phe > 2 g/L; quy

mô 500-800 L/me

2010 Nghiên cứu sản xuất enzyme α-amylase bền nhiệt tái

tổ hợp ứng dụng trong công nghiệp dệt 02 chủng B.subtilis sinh E bền nhiệt

(85-90 o C), quy mô

70 L/me

Trang 35

CNSH TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

PP sinh học được ứng

dụng để xử lý nước thải,

khí thải, chất thải rắn &

đất

Trang 36

Xử lý nước thải

Trang 37

Quá trình hiếu khí - Hệ thống bùn hoạt tính

Trang 38

Quá trình kỵ khí - Hệ thống UASB

Trang 39

Nguyên tắc

Trang 40

Xử lý khí thải

Hệ thống xử lý khí từ trại chăn nuôi Lưu lượng khí thải 270000m 3 /h, hiệu suất xứ lý H2S 80%, NH3 53%.

Trang 41

Xử lý khí thải

Quy trình xử lý khí thải chứa S kết hợp vào hệ thống xử lý nước thải

Trang 42

Xử lý chất thải rắn

Ủ compost

Trang 43

Xử lý chất thải rắn

Trang 44

Trang 45

Phục hồi sinh học (bioremediation)

Trang 46

Trang 47

Kỹ thuật trải đất (landfarming)

Trang 48

Kỹ thuật thoáng khí (bioventing)

Trang 49

Các đặc điểm nổi bật của CNSH

trong xử lý môi trường

Chi phí thấp: xử lý 1 kg chất thải rắn - theo phương pháp đốt 0,5 euro, sinh học 0,1 euro Linh hoạt, tự điều chỉnh: khả năng xử lý các chất tổng hợp khó phân hủy của VSV

Thân thiện với môi trường: đúng bản chất chuyển hóa tự nhiên của chất thải

Trang 50

NHIÊN LIỆU SINH HỌC

Biofuels

Bioethanol Biodiesel Biomethane Biohydrogen

Trang 51

Đường

Lên men Ethanol

Xử lý sơ bộ &

thuỷ phân

Thuỷ phân Tinh bột

Trang 52

Trang 53

Demonstration scale plant (2008)

Commercial launch

Bioethanol từ cellulose

Trang 54

Sinh khối

Xử lý sơ

bộ

Thủy phân

Enzymes

Lên men glucose

Lên men pentose

Thu hồi ethanol

Tận dụng lignin Ethanol

Trang 55

Trang 56

Trang 57

- Kiềm: NaOH (2%), KOH, Ca(OH)2, NH4OH; thời gian

10-15 h, có thể kết hợp gia nhiệt

- Sinh học: sử dụng nấm (white rot fungi), thời gian 10-15 ngày (chưa khả thi ở quy mô lớn)

Trang 58

Trang 59

 Thủy phân và lên men riêng biệt (SHF – separate hydrolysis and fermentation)

 Chuyển hóa trực tiếp (DMC – direct microbial conversion): vi sinh vật sản xuất cellulase và lên men tăng trưởng ngay trong khối nguyên liệu để tạo thành ethanol

 Đường hóa và lên men đồng thời (SSF – simultaneous saccharification and fermentation): quá trình thủy phân và lên men được tiến hành đồng thời trong cùng một thiết bị

Trang 60

Trang 61

Iogen SHF process

Trang 62

BioGasol SSF process

Trang 63

Một số trở ngại:

- Quá trình thủy phân:

Tốc độ chậmChi phí cho enzyme cellulase cao

- Quá trình lên men:

Có mặt các chất ức chếLên men đường 5 C còn hạn chế

Trang 64

CÁC CHẤT KHÁNG SINH

Chất kháng sinh là các hợp chất phức tạp, có kích thước nhỏ, có hoạt tính sinh học chống lại vi sinh vật

Thông thường được tạo ra bởi nấm mốc và vi

Trang 65

Cơ chế & đặc điểm

Trang 66

(6-aminopenicillanic acid, 6-APA)

Cơ chế & đặc điểm Penicillin

Trang 67

Transpeptidase

Trang 68

Cấu trúc tương tự của penicillin với R-alanylalanine

ức chế enzyme tranpeptidase (cạnh tranh cơ chất), ngăn cản quá trình tổng hợp thành tế bào

Trang 69

Trang 70

Trang 71

Ức chế tổng hợp DNA

Trang 72

Tác động lên màng tế bàoPeptide antibiotics (bacteriocin)

Trang 74

Thủy phân bằng enzyme 6-APA thô

Môi trường

Thu hồi dung

Trang 75

Sự kháng kháng sinhTổng cộng có 58.236 người Mỹ chết

trong cuộc chiến ở Việt nam, so với 63.000 người chết hàng năm trong bệnh viện do vi khuẩn gây bệnh kháng kháng sinh ! (Antibiotics - the perfect storm)

Trang 78

Nhu cầu phát triển các chất kháng sinh mới?

sinh vật kháng đa kháng sinh

chủng vi sinh vật gây bệnh

mới

Trang 80

VACCINE

Trang 84

Ho gà, thương hàn, tả

Trang 85

Các loại vaccine

 Vaccine độc tố:

Độc tố do vi sinh vật gây bệnh tạo ra

đã được bất hoạt (bằng formaline) Uốn ván, bạch hầu

Trang 86

Các loại vaccine Vaccine DNA

Trang 87

VACCINE

Trang 88

Quy trình SX vaccine Recombivax HB (Merck)

Lên men nấm

men

Thu sinh khối

Add chất ức

chế protease

Phá vỡ tế

bào

Trích ly với Triton X-100

Vi lọc filtration)

(micro-Add XAD-4 loại Triton

Hấp phụ lên hat silica

Sắc ký tương tác kỵ nước

Xử lý với KSCN

Định dạng sản phẩm

SP là kháng nguyên bề mặt của hepatitis B

biểu hiện bởi

S.cerevisiae

Trang 89

Quy trình SX vaccine cúm (influenza)

Các peptide trên bề mặt virus cúm được nghiên cứu làm

vaccine HA: hemagglutinin

Trang 90

Lọc màng

N/hàng

Baculovirus

Định dạng sản phẩm

(chứa HA gene)

Trang 91

Một số đối tượng để phát triển vaccine mới

Pharmaceutical biotechnology

Trang 92

Tình hình phát triển vaccine AIDS ở Mỹ (2000)

Trang 94

Các bước phát triển vaccine

Trang 95

Chi phí phát triển vaccine

Trang 96

Thời gian phát triển vaccine

Trang 97

NUÔI CẤY TẾ BÀO ĐỘNG VẬT

Trang 99

Kỹ thuật nuôi cấy MÔI TRƯỜNG

 Đường (glucose)

 Muối

 Khoáng vi lượng

 Vitamines

 Yếu tố tăng trưởng (growth factor)

 Huyết thanh (hay không huyết thanh)

Trang 100

Các hạn chế của môi trường bổ sung huyết thanh hoặc dịch chiết của mô, máu:

Trang 101

Môi trường không huyết thanh (serum-free medium)

Trang 102

Tissue/organ fragment

Primary culture

Cell line

Continuous cell line

Transformed cell line

Animal Cell Culture Essential Methods

2011

Cell outgrowth/attachment/proliferation

Proliferation Subculture

Senescence

Immortalization

No immortalizati

on (‘normal’)

Transformation (loss of growth

Trang 103

Culture of animal cells – basic techniques

Trang 104

Trang 105

Trang 106

Ứng dụng của các dòng tế bào

Trang 107

Kỹ thuật nuôi cấy

BỂ PHẢN ỨNG

Tế bào phát

triển lơ lửng

Stirred tank

Trang 108

Kỹ thuật nuôi cấy

BỂ PHẢN ỨNG

Tế bào phát

triển lơ lửng

Airlift

Trang 109

Tế bào phát triển bám dính (anchorage)

Trang 110

Tế bào phát triển bám dính (anchorage)

Fixed-bed

bioreactor

Trang 111

Ứng dụng của nuôi cấy tế bào động vật

Giai đoạn 1 - Vaccine (1954-1975)

Trang 112

Giai đoạn 2 – Phát triển kỹ thuật nuôi cấy (1975-1986)

Trang 113

Giai đoạn 3 – Sản phẩm chuyển gene (1985-1996)

Trang 114

Giai đoạn 4 – y học di truyềngenetic medicines (1996 đến nay)

Trang 115

Giai đoạn 4 – y học di truyềngenetic medicines (1996 đến nay)

Trang 116

Cell therapy for cardiac disease

Trang 117

Cell therapy for diabetes

Insulin-producing Surrogate cells

Trang 118

ß-TEST KIT

Trang 119

In vitro diagnostics (IVD) market

Trang 120

TEST KIT

Trang 121

TEST KIT

Trang 122

TEST KIT

In vitro

diagnostics

(IVD) market

Trang 124

TEST KIT

Trang 125

Immunodiagnostics Agglutination

Bộ kit

Abuscreen

(Roche)

Trang 126

TEST KIT

Trang 127

TEST KIT

immunosorbent assay

(ELISA) - direct

Trang 128

TEST KIT

immunosorbent assay

(ELISA) - direct

Trang 129

TEST KIT

immunosorbent assay (ELISA) - indirect

Trang 130

TEST KIT

immunosorbent assay (ELISA) - indirect

Trang 131

TEST KIT

Immunodiagnostics

Sắc ký miễn dịch chẩn đoán bệnh dại

Trang 134

TEST KIT

Molecular diagnostics

PCR(Target amplification)

Trang 136

TEST KIT

Trang 138

TEST KIT

TagMan probe (Target amplification)

Trang 139

TEST KIT

TagMan probe (Target amplification)

Trang 140

TEST KIT

Ligase chain reaction (Probe amplification)

Trang 141

TEST KIT

Ligase chain reaction (Probe amplification)

Trang 142

TEST KIT

Hydrid capture (Signal amplification)

Trang 143

TEST KIT

Hydrid capture (Signal amplification)

Trang 144

TEST KIT

Khó khăn, thách thức và

cơ hội của diagnostic kit?

Trang 145

NUÔI CẤY MÔ THỰC VẬT

Trang 146

Lĩnh vực áp dụng

• Nhân giống cây trồng

• Cây khó nhân giống hữu tính

• Nuôi cấy thực vật thu nhận hợp chất thứ cấp

• Mô hình nghiên cứu

• …

Trang 147

• Mô thực vật:

• Chồi đỉnh, lá, đốt thân…

Trang 148

Quy trình (vi nhân giống)

1 Lựa chọn mẫu

2 Vô trùng mẫu

3 Tăng sinh

4 Tạo cây hoàn chỉnh (ra rễ)

5 Ra vườn (ex vitro)

Trang 149

Quy trình vi nhân giống

Trang 150

Chọn mẫu NUÔI CẤY MÔ THỰC VẬT

Trang 151

Vô trùng

Trang 152

Tăng sinh NUÔI CẤY MÔ THỰC VẬT

Trang 158

Tạo cây hoàn chỉnh NUÔI CẤY MÔ THỰC VẬT

Trang 159

Ra vườn ươm NUÔI CẤY MÔ THỰC VẬT

Trang 166

Nội dung

1 Lý do lựa chọn cây trồng biến

đổi gen

2 Nguyên lý tạo cây biến đổi gen

3 Một số thông tin về cây trồng

biến đổi gen trên thế giới

CÂY TRỒNG BIẾN ĐỔI GENE

Trang 168

Gregor Mendel

(1822-1884): Father of Genetics

CÂY TRỒNG BIẾN ĐỔI GENE

Trang 169

Kết quả chọn tạo theo phương pháp truyền thống

Trang 174

1800’s Mendel’s Pea, Darwin’s Species, Pasteur’s Microbes

1950-1980 Watson & Crick, Gene Sequencing

& Green Revolution

1900-1950 Antibiotic Microbes, Plant Breeding

& Golden Rice

plants, animals, and microorganism

s for the benefit of humans

Định dạng
Số trang	256
Dung lượng	19 MB