ĐN1: CNSH có thể hiểu đơn giản là công nghệ sử dụng các quá trình sinh học của các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật tạo ra th ơng phẩm phục vụ lợi ích con ngời ĐN2: CNSH là quá t
Trang 1Đề cương mụn Cụng nghệ sinh học.
Cõu 1: Cơ sở phõn loại cụng nghệ sinh học, phõn tớch vai trũ của Cụng
ngệ AND trong CNSH hiện đại Liờn hệ thực tế ứng dụng CNSH ở VN.
Cụng nghệ sinh học cú thể hiểu một cỏch đơn giản là cụng nghệ sử dụng cỏc cơ thể sống để sản xuất cỏc sản phẩm hữu ớch phục vụ con người
ĐN1: CNSH có thể hiểu đơn giản là công nghệ sử dụng các quá trình
sinh học của các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật tạo ra th ơng phẩm
phục vụ lợi ích con ngời
ĐN2: CNSH là quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp có sự tham gia của các tác nhân sinh học (ở mức độ cơ thể, tế bào, dới tế bào) dựa trên các
thành tựu nổi bật của nhiều bộ môn khoa học, phục vụ cho việc tăng của cải vật chất của xã hội và bảo vệ lợi ích của con ngời
ĐN3: Công nghệ sinh học là ngành khoa học sử dụng các cơ thể, hệ
thống hoặc quá trình sinh học để sản xuất công nghiệp các sản phẩm
Người ta phõn CNSH ra hai loại: CNSH mới (new biotechnology) và CNSH cổ điển (classical biotechnology) Cụng nghệ sinh học cổ điển cú thể coi là
CNSH xuất hiện trong lịch sử loài người rất sớm, cú thể cỏch đõy 5.000-8.000 năm, thậm chớ 10.000 năm Trong kinh thỏnh cũng đó núi đến qui trỡnh làm giấm, làm rượu nho, làm dưa, …đến nay chỳng ta vẫn cũn sử dụng qui trỡnh đú Cụng nghệ sinh học mới xuất hiện khi kĩ thuật di truyền ra đời Theo quan điểm hiện đại, cỏc tỏc nhõn sinh học tham gia vào quỏ trỡnh sản xuất ở trờn là những giống sinh vật mới hoặc cỏc sản phẩm của chỳng được tạo ra bằng kỹ thuật di truyền hiện đại (cụng nghệ gen) Từ định nghĩa cụ đọng này cú thể thấy: Cụng nghệ sinh học khụng phải là một bộ mụn khoa học như toỏn, lý, hoỏ, sinh học phõn tử mà
là một phạm trự sản xuất Cụng nghệ sinh học khụng chỉ tạo ra thờm của cải vật chất, mà cũn hướng vào việc bảo vệ và tăng cường chất lượng cuộc sống con người Thực tế, cụng nghệ sinh học mang tớnh ứng dụng, tuy nhiờn hàng loạt kỹ thuật của cụng nghệ sinh học đang là những cụng cụ sắc bộn để nghiờn cứu khoa học sinh học và làm sỏng tỏ cỏc cơ chế của cỏc hiện tượng sống ở mức phõn tử Ở nước ta, theo Nghị định số 18/CP của Chớnh phủ ngày 11/3/1994 về phỏt triển
Trang 2công nghệ sinh học thì: “Công nghệ sinh học là một tập hợp các ngành khoa học (sinh học phân tử, di truyền học, vi sinh vật học, sinh hóa học và công nghệ học) nhằm tạo ra các công nghệ khai thác ở quy mô công nghiệp các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật.”
II Phân loại
- Công nghệ sinh học truyền thống (Traditional Biotechnology) Bao gồm: + Thực phẩm lên men truyền thống (Food of Traditional Fermentations) + Công nghệ lên men vi sinh vật (Microbial Fermentation Technology) + Sản xuất phân bón và thuốc trừ sâu vi sinh vật (Production of Microbial
Fertilizer and Pesticide)
+ Sản xuất sinh khối giàu protein (Protein-rich Biomass Production)
+ Nhân giống vô tính bằng nuôi cấy mô và tế bào thực vật (Plant
Micropropagation)
+ Thụ tinh nhân tạo (Invitro Fertilization)
- Công nghệ sinh học hiện đại (Modern Biotechnology) Bao gồm:
+ Nghiên cứu genome (Genomics)
+ Nghiên cứu proteome (Proteomics)
+ Thực vật và động vật chuyển gen (Transgenic Animal and Plant)
+ Động vật nhân bản (Animal Cloning)
+ Chip gen (DNA chip)
+ Liệu pháp tế bào và gen (Gen and Cell Therapy)
+ Công nghệ sinh học nano (Nanobiotechnology)
+ Tin sinh học (Bioinformatics)
+ Hoạt chất sinh học (Bioactive Compounds)
+ Protein biệt dược (Therapeutic Protein)
Sự phân loại công nghệ sinh học cũng có thể dựa vào các tác nhân sinh học tham gia vào quá trình công nghệ, có thể chia thành các nhóm sau:
- Công nghệ sinh học thực vật (Plant Biotechnology)
- Công nghệ sinh học động vật (Animal Biotechnology)
Trang 3- Công nghệ sinh học vi sinh vật (Microbial Biotechnology)
- Công nghệ sinh học enzyme hay công nghệ enzyme (Enzyme
Biotechnology)
Gần đây, đối với các tác nhân sinh học dưới tế bào còn hình thành khái
niệm công nghệ protein (Protein Engineering) và công nghệ gen (Gen
Engineering)
Mặt khác, tùy vào đối tượng phục vụ của công nghệ sinh học, có thể phân ra
các lĩnh vực công nghệ sinh học khác nhau như:
- Công nghệ sinh học nông nghiệp (Biotechnology in Agriculture)
- Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm (Biotecnology in Food
Processing)
- Công nghệ sinh học y dược (Biotechnology in Medicine-Pharmaceutics)
- Công nghệ sinh học môi trường (Environmental Biotechnology)
- Công nghệ sinh học vật liệu (Material Biotechnology)
- Công nghệ sinh học hóa học (Biotechnology in Chemical Production)
- Công nghệ sinh học năng lượng (Biotechnology in Energy Production)
Vị trí của công nghệ gen trong công nghệ sinh học
Công nghệ gen là một mũi nhọn của công nghệ sinh học Năm 1972-1973
kỹ thuật gen ra đời, mở đầu cho một giai đoạn mới của cuộc cách mạng công nghệ sinh học Con người đã có khả năng vượt giới hạn tiến hoá, có thể chuyển các gen
từ một loài này sang một loài khác, điều mà không thể thực hiện được bằng con đường chọn lọc tự nhiên Đến nay người ta đã giải mã bộ gen của mhiều sinh vật như bộ gen của vi khuẩn E coli, của nhiều virus, của giun tròn, của cây lúa và đến năm 2003 về cơ bản đã giải mã được bộ gen người Trên cơ sở kỹ thuật gen các nhà khoa học đã tạo ra nhiều giống cây trồng có những đặc tính ưu việt như cây chống chịu hạn, chịu mặn, cây có năng suất cao góp phần là tăng giá trị kinh tế cho xã hội Nhiều chủng vi sinh vật mới có khả năng tổng hợp enzym cao được tạo
ra bằng công nghệ gen đã được sử dụng trong công nghiệp Sự hiểu biết một cách
Trang 4chi tiết về cấu tạo và vận hành của bộ gen cho phép con người có khả năng can thiệp một cách chính xác vào các quá trình sống để phục vụ lợi ích của mình Những thành tựu của công nghệ gen luôn gắn với ứng dụng thực tiễn nhằm phục
vụ lợi ích của con người Tóm lại có thể nói công nghệ gen là mũi nhọn, là trung tâm phát triển của công nghệ sinh học
3.2 Ứng dụng của công nghệ gen.
CN di truyền còn gọi là CN gen, Kỹ thuật tái tổ hợp ADN (DNA
recombination) thực hiện việc chuyển gen để tạo ra các tế bào hoặc cá thể mang
các gen mới nhằm tạo ra những vật chất cần thiết cho con người Đó là những thành tựu kỳ diệu nhằm giúp chẩn đoán, cứu chữa hoặc phòng ngừa các bệnh hiểm nghèo, chẳng hạn như việc sản xuất ở quy mô công nghiệp insulin (dùng cho bệnh nhân tiểu đường), kích tố sinh trưởng người (BN lùn bẩm sinh), các loại interferon (chống virut và ung thư), các nhân tố kích thích tập lạc tế bào (CSF), giới tố bạch cầu (IL), nhân tố gây chết khối u (TNF), nhân tố sinh trưởng biểu bì (EGF), nhân
tố sinh trưởng tế bào nội bì mạch máu (PDGF), nhân tố sinh trưởng chuyển hoá (TGF), các chemokin (C, CC, CXC, CX3C), nhân tố kích hoạt plasminogen tổ chức (tPA), men urokinase (UK), pro-urokinase (pro-UK ), calcitonin, nhân tố sinh trưởng thần kinh ( NGF), enkephalin (chữa bệnh thần kinh), thymosin (tăng cường miễn dịch ), hemopoietin (chữa thiếu máu) , protein huyết tương (PP) , relaxin (hỗ trợ sản phụ), nhân tố đông tụ máu (BCF), các loại vắc xin tái tổ hợp (phòng chống viêm gan B, viêm não Nhật Bản, dịch tả, sởi, bại liệt, dại, sốt rét, lở
mồm long móng ) CN gen tạo cơ sở điều trị các bệnh di truyền mà trước đây
hoàn toàn chịu bó tay: bệnh nhiễm sắc thể thường, bệnh NST giới tính, hội chứng
đa bội thể, bệnh đa gen, bệnh phân tử, một số bệnh ung thư
CN gen hỗ trợ hữu hiệu cho việc chọn giống cây trồng: chọn giống đơn bội, chọn giống đa bội, tạo dưa hấu không hạt, chọn giống có hiệu suất quang hợp cao, chọn giống mang gen cố định đạm (không cần phân đạm), chọn giống mang gen diệt sâu hại ( hạn chế sử dụng thuốc trừ sâu), chọn giống kháng virut, chọn giống giàu dinh dưỡng, chọn giống đề kháng thuốc trừ cỏ CN gen mở ra tiền đồ to lớn
Trang 5trong việc tạo ra các cây trồng chuyển gen (GMC hay GMO): Cây thuốc lá là cây chuyển gen đầu tiên được đưa vào ứng dụng (1983) Sau đó là cây bông kháng sâu
và kháng cỏ dại (1986) Khi đó chỉ mới có 5 loại GMC được đưa ra thử nghiệm Đến năm 1992 số GMC đã tăng lên đến 675 loại Trong vòng 12 năm (1987-1999) riêng Hoa Kỳ đã đưa vào thí nghiệm đồng ruộng 4779 loại GMC (!) Diện tích gieo trồng GMC trên thế giới vào năm 1995 la 1,2 triệu ha, năm 1996 là 2,84 triệu
ha, năm 1997 là 12,55 triệu ha, năm 1998 là 27,80 triệu ha, năm 1999 là 39,9 triệu
ha Trong tổng số diện tích gieo trồng GMC (1998) thì Hoa Kỳ chiếm 72,8%, Argentina- 15,3%; Canađa- 9,9%; Trung Quốc- 0,7%; Australia- o,4%; Mexico-0,4%; các nước khác- 0,5% Trong các loại GMC thì đậu tương chiếm 51,7%, ngô- 30,1%; bông- 9,1%; cải dầu- 8,7%; khoai tây- 0,3% Về đặc tính chuyển gen thì chủ yếu nhằm mục tiêu đề kháng với thuốc trừ cỏ- 71,0%; đề kháng với sâu hại- 27,6%; đề kháng với cả hai- 1,1%; chỉ có 0,3% là nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm Các nước hiện có cách nhìn không thống nhất về GMC Hoa
Kỳ mở rộng rất nhanh chủng loại và diện tích gieo trồng GMC Trung Quốc thận trọng hơn nhưng riêng loại bông kháng sâu hại cũng đã được đưa ra diện tích tới 5 triệu mẫu TQ (15 mẫu TQ = 1ha) Nhiều nước Châu Âu chống lại chủ trương phát triển các loại GMC Cũng có thể còn do có cả các lý do cạnh tranh thị trường Việt Nam chủ trương tôn trọng các quy ước quốc tế về an toàn sinh học nhưng mặt khác cũng cần đẩy mạnh các nghiên cứu và ứng dụng trong phạm vi có thể kiểm soát được
Nhiều công trình nghiên cứu của công nghệ sinh học đã được ứng dụng thành công trong y dược, đặc biệt là trong sản xuất thuốc và trong chuẩn đoán bệnh Phạm vi ứng dụng của kháng thể đơn dòng trong ngành y tế ngày càng tăng như phân tích miễn dịch, định vị các khối u, phát hiện một số protein có liên quan đến sự hình thành khối u, xác định sự có mặt của các loại vi khuẩn khác nhau, giúp cho các bác sĩ xác định bệnh một cách nhanh chóng và chính xác Kháng thể đơn dòng là tập hợp các phân tử kháng thể đồng nhất về mặt cấu trúc và tính chất Kháng thể đơn dòng được tạo ra bằng cách cho lai tế bào lympho trong hệ miễn
Trang 6dịch của động vật hoặc của người với tế bào ung thư Một số thể lai cú khả năng tạo ra khỏng thể đặc hiệu đối với khỏng nguyờn Chọn cỏc thể lai đú nhõn lờn và sản xuất khỏng thể đơn dũng Cỏc tế bào lai cú khả năng tăng sinh vĩnh viễn trong mụi trường nuụi cấy - tớnh chất này nhận được từ tế bào ung thư Nhờ cụng nghệ
sử dụng DNA tỏi tổ hợp mà người ta cú thể sản xuất một số protein cú hoạt tớnh sinh học dựng để chữa bệnh như insulin chữa bệnh tiểu đường, interferon chữa bệnh ung thư, cỏc hormon tăng trưởng cho con người Bản chất của cụng nghệ này
là làm thay đổi bộ mỏy di truyền của tế bào bằng cỏch đưa gen mó húa cho một protein đặc hiệu và bắt nú hoạt động để tạo ra một lượng lớn loại protein mà con người cần
@ Những giai đoạn phát triển của CNSH Việt Nam
Giai đoạn trớc 1945:
1891 Calmette thành lập Viện Pasture Sài Gòn: Vaccine đậu mùa, chống dại, men làm rợu nếp, bệnh ở vùng nhiệt đới…… Yersin nghiên cứu về dịch hạch và sáng lập Viện Pasture Nha Trang…
1887 Nhà máy rợu SàI Gòn ra đời
Giai đoạn 1945-1954:
1949 BS Ng Văn Hởng sản xuất vaccine đậu mủa, tả, thơng hàn, làm các xét nghiệm và đào tạo đợc KTV và đội tiêm trủng…
1950 GS BS Phạm Ngọc Thạch và GS TS Đặng V Ngữ sản xuất penicillin
tử nấm penicillin để rửa vết thơng cho các chiến sỹ
Giai đoạn 1955 đến nay:
Công nghệ vaccine
Công nghệ rợc bia
Nhà máy bột ngọt (60)
1995 đến nay: Lập bản đồ gen, chẩn đoán phân tử, tạo sinh vật chuyển gen, vaccin táI tổ hợp
Trong khi CNSH trên thế giới phát triển rất nhanh, chúng ta cần coi trọng cả CNSH truyền thống, CNSH cận đại, nhưng phải tập trung lực lượng tiến thẳng vào CNSH hiện đại Đó là các công nghệ: di truyền, tế
Trang 7bào, enzym - protein, vi sinh vật lên men, sinh h– lên men, sinh h ọc môi trường Muốn
làm được như vậy, trước hết phải lo đào tạo nhanh một đội ngũ trẻ và giỏi về công nghệ sinh học
Cõu 2: Một số thành tựu cụng nghệ VSV trong ngành y tế, nồng nghiệp
và BVMT khỏi bị ụ nhiễm.
Sinh khối vi sinh vật: sản xuất bánh mì, phân vi sinh, protein đơn
bào, chế phẩm diệt côn trùng, vaccin, chế phẩm trơn sinh…
Enzyme vi sinh vật: amylase, glucanase, glucose isomerase,
glucose oxidase, cellulase, hemicellulase, protease, lactase,
lipase….
Các sản phẩm trao đổi chất: các sản phẩm sơ cấp: rợu, bia, amino
acid, vi tamin, axit citric, ethanol… các sản phẩm thứ cấp: kháng sinh
Sản phẩn chuyển gen: các proten táI tổ hợp nh insulin, interferol,
yếu tố VIII, vaccin táI tổ hợp…
Sản phẩm của chuyển hóa sinh học: vitamin, steroid, acrylamid
Các đại phân tửu sinh học và các chất hoạt động bề mặt: alginat,
xanthan, lipoprotein, glicoprotein
2.3 Sản xuất enzyme
Ứng dụng thương mại chớnh của cỏc enzyme vi sinh vật là trong cụng
nghiệp thực phẩm là sản xuất bia mặc dự enzyme đó được thừa nhận trong cỏc ứng dụng phõn tớch và chẩn đoỏn bệnh, cũng như trong sản xuất bột giặt Cỏc enzyme
cú thể được sản xuất từ động-thực vật cũng như cỏc nguồn vi sinh vật, nhưng sản xuất bằng lờn men vi sinh vật là phương phỏp kinh tế và thớch hợp nhất Hơn nữa, hiện nay nhờ cụng nghệ DNA tỏi tổ hợp người ta cú thể chuyển gen vào cỏc tế bào
vi sinh vật để sản xuất cỏc enzyme của động-thực vật
Trang 8Các tiến bộ của công nghệ DNA tái tổ hợp đã mở rộng phạm vi các sản phẩm lên men tiềm tàng của vi sinh vật Có khả năng đưa các gen từ các cơ thể bậc cao vào các tế bào vi sinh vật như là các tế bào nhận để tổng hợp các protein (bao gồm enzyme) ngoại lai Các tế bào vật chủ dùng trong những trường hợp này
là E coli, Sac cerevisiae và một số loại nấm men khác
2.4 Sản xuất kháng sinh
Penicillin là kháng sinh được tìm ra đầu tiên và được sản xuất sớm nhất dùng để chữa một số bệnh nhiễm khuẩn vào những năm đầu của Thế chiến thứ 2
Những vi sinh vật sinh penicillin thuộc các giống nấm mốc Penicillum và ergillus Nhưng các chủng của Penicillum notatum và Pen chrysogenum có hoạt lực cao và được dùng trong công nghiệp kháng sinh Tuy nhiên, những chủng Penicillum có
hoạt lực cao lại thường kém ổn định Do đó, một vấn đề khó khăn được đặt ra là tạo được khả năng sinh kháng sinh cao nhất, giữ được ổn định trong quá trình nghiên cứu và sản xuất Nhiệm vụ này có một ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp Ngày nay, nhờ kỹ thuật di truyền học người ta đã tạo được những giống ổn định, ít nhất sau sáu thế hệ vẫn không giảm hoạt tính kháng sinh Quá trình lên men penicillin thuộc vào loại lên men hai pha: pha sinh trưởng và pha sinh penicillin
Nguồn carbon trong lên men penicillin bằng nấm Pen chrysogenum có thể là
glucose, saccharose, lactose, tinh bột, dextrin, các acid hữu cơ (lactic, acetic, formic), các amino acid Tuy nhiên, đường lactose cho hiệu suất penicillin cao nhất và thường được dùng trong công nghiệp
II Công nghệ tái tổ hợp vi sinh vật và lên men
Một trong những ứng dụng đầu tiên của công nghệ di truyền là tạo ra một
chủng Pseudomonas syringae Chủng hoang dại (wild type) của vi khuẩn này
thông thường chứa một gen tạo băng, gen này kích thích sự tạo băng trên các bề mặt lạnh và ẩm Sự biến đổi gen này tạo ra một thể tái tổ hợp có khả năng ngăn ngừa sự tạo thành băng giá (frost) Được tạo ra dưới tên gọi là Frostban, vi khuẩn này đã mang lại một thành công khiêm tốn trong việc chống lại việc tạo thành băng giá trên các cây dâu tây và khoai tây ngoài đồng ruộng Trong một thí
Trang 9nghiệm khác, một chủng virus có khả năng diệt sâu đo bắp cải được thả vào một thửa ruộng bắp cải Nó đã được thiết kế để có thể tự phá hủy sau một thời kỳ nhất
định Pseudomonas fluorescens đã được tái tổ hợp với các gen sản sinh chất diệt côn trùng sinh học Bac thuringiensis Các vi khuẩn này được thả vào đất, chúng
sẽ bám vào rễ và giúp tiêu diệt các côn trùng đang tấn công Nói chung, mọi sự phóng thích các thể tái tổ hợp vào môi trường đều phải được các cơ quan bảo vệ môi trường chuẩn y và được giám sát chặt chẽ Đến nay, nhiều nghiên cứu đã cho thấy các vi sinh vật này không sống sót hoặc sinh sôi trong môi trường và chắc chắn không gây ra nhiều hiểm họa Các virus được thiết kế di truyền đặc biệt có ích trong các ứng dụng y học, chẳng hạn để sản xuất vaccine
Một điều làm công nghệ di truyền trở nên đặc biệt hấp dẫn là các kỹ thuật của nó có thể kết hợp với các kỹ thuật của công nghệ lên men để sản xuất ra những
số lượng lớn các chất giống kháng sinh hoặc steroid Hầu hết các protein tái tổ hợp đang bán trên thị trường hiện nay đều rất hữu ích trong y học Dưới đây là một số trong các sản phẩm này:
- Insulin, chất thay thế hormone dùng trong điều trị bệnh tiểu đường type I
- Hormone sinh trưởng của người, được sử dụng để điều trị những trẻ em bị bệnh lùn hoặc bệnh già trước tuổi
- Interferone, một chất miễn dịch được sử dụng để điều trị một số loại ung thư, viêm gan mạn tính
- Interleukin-2, một chất hoạt hóa tế bào T và B được dùng trong điều trị ung thư
- Erythropoietin (EPO), một chất kích thích các tế bào tủy sống sinh hồng cầu, dùng để điều trị một số bệnh thiếu máu
- Hoạt tố plasminogen của mô (tPA), một enzyme tham gia vào quá trình làm tan các cục máu đông (huyết khối)
Nhân tố VIII, một protein gây đông máu cho những người ưa chảy máu
-Các vaccine tái tổ hợp cho bệnh viêm gan, và bệnh viêm màng não do Hemophilus
influenza B gây ra
Trang 10- Octolon, một chất ức chế miễn dịch dùng cho các bệnh nhân cấy ghép nội tạng
Hình 3: Sơ đồ sản xuất insulin công nghiệp
