Nhập môn công nghệ sinh học

CNSH tạo ra một cuộc cách mạng sâu sắc trong lĩnh vực giống cây trồng, vật nuôi và chế biến thực phẩm, mang lại giá trị kinh tế cao  Các hướng chính: - Chọn lọc và biến đổi di truyền

CHƯƠNG 7 CÁC ỨNG DỤNG TRONG

Mở đầu

 Đây là lĩnh vực công nghệ sinh học có nhiều đóng góp quan trọng CNSH tạo ra một cuộc cách mạng sâu sắc trong lĩnh vực giống cây trồng, vật nuôi và chế biến thực phẩm, mang lại giá trị kinh tế cao

 Các hướng chính:

- Chọn lọc và biến đổi di truyền cây trồng để có đƣợc các đặc điểm mong muốn (năng suất cao, phẩm chất tốt, thích nghi với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi ),

- Nuôi cấy mô và tế bào thực vật để nhân nhanh giống cây trồng,

- Sản xuất các kháng thể đơn dòng để phục vụ chẩn đoán các bệnh thực vật và động vật,

- Thụ tinh trong ống nghiệm và cấy chuyển phôi ở vật nuôi,

- Cải thiện năng suất và chất lƣợng của động vật, nuôi trồng thủy sản, chế biến thực phẩm

II Cải thiện và nhân nhanh

giống cây trồng

Nhân giống

và cải thiện giống cây trồng

Chọn dòng tế bào biến

dị soma

Nhân giống trong ống nghiệm

Sản xuất cây đơn

bội

Lai vô

tính

1 Nhân giống vô tính

 Trong kĩ thuật trồng trọt có nhiều loài cây cần phải nhân giống vô tính ở qui mô lớn

 Trong những năm 1930, việc tái sinh lại chồi và toàn bộ cây trồng đã đƣợc tiến hành một cách thuận lợi nhờ xây dựng đƣợc

kĩ thuật nuôi cấy mô và tế bào thành công

• Hạn chế của kĩ thuật nhân

giống in vitro

- Chi phí cao so với các phương pháp nhân giống

vô tính khác nên giá thành không cạnh tranh

- Không phải bất cứ loại cây nào cũng có thể vi nhân giống

- Một số loài cây trồng rất dễ bị biến dị khi nhân giống in vitro

Nuôi cấy tế bào thực vật

b5 b6

Quy trình công nghệ nuôi cấy mô tế bào

b4

b3 b2

b1

1 Nhân giống vô tính

Cuộc cách mạng xanh từ những năm 1960-

1970

Mục đích:

- Duy trì và nhân nhanh các kiểu gen quý hiếm

- Nhân nhanh với hiệu quả kinh tế cao các loài hoa và cây cảnh không trồng bằng hạt

-Nhân nhanh và duy trì các cá thể đầu dòng tốt

-Làm sạch bệnh, virus

-Bảo quản các tập đoàn giống nhân giống vô tính

Rất cây trồng có thể đưa vào nhân giống vô tính in vitro với mục tiêu thương mại hóa trên qui mô lớn

vd như:

Atiso Măng tây Củ cải đường Khoai tây

Raspberry Kiwi

Nho Dâu tây

Lập ngân hàng gene thực vật

Ứng dụng nhân nhanh in vitro

 Duy trì và nhân nhanh các

kiểu gen quý làm vật liệu cho

công tác giống

Ví dụ: nhân giống cây trầm

hương (Aquilaria crassna)

Ứng dụng nhân nhanh in vitro

Sản xuất cây giống sạch mầm bệnh

Việc nhân giống và khai thác cây chịu hạn

Từ trái qua: Atriplex nummularia, Atriplex

barclayama và Atriplex lentiformis

Ocnothera spp

Jojoba Guayule

Nhân giống vô tính in vitro các cây rừng lấy gỗ

hay làm bột giấy

Chi bạch đàn (Eucalyptus)

E camaldulensis

Faidherbia

Nuôi cấy hạt phấn tạp cây đơn bội

Nuôi cấy bao

phấn (anther) và

hạt phấn (pollen)

Tạo cây đơn bội

trong chọn giống

Nuôi cấy tế bào trần (protoplast)

 Giới thiệu Protoplast

 Dung hợp là quá trình hợp nhất 2 protoplast lại làm một

 2 giai đoạn chính của kĩ thuật protoplast

1 Giai đoạn tách và nuôi cấy protoplast

2 Giai đoạn dung hợp protoplast

Ví dụ:

- Dung hợp protoplast có thể chọn giúp các dòng cà phê kháng bệnh và các độc tố

- Lai giữa tế bào thực vật và vi khuẩn

- Dung hợp đƣợc các tế bào soma với tế bào sinh dục (hạt phấn)

Dung hợp protoplast

A: các protoplast

B: hai protoplast dung hợp

trong một cặp

C: các protoplast có thể dung hợp trong thể 3 (bên phải ảnh) hoặc nhiều hơn, có khi tới 6 protoplast

Nuôi cấy tế bào trần (protoplast)

Cây lai giữa cà rốt và rau mùi, cam

và chanh, khoai tây với cà chua

- Sản xuất dƣ thừa các loại sản phẩm là amino acid

- Tế bào mang đặc điểm chỉ thị để nghiên cứu di truyền

 Cơ sở

- Tính toàn năng: từ các tế bào soma có thể tạo nên bất kì

bộ phận nào của cây

- Cơ sở khoa học của việc chọn giống đó là hiện tƣợng

biến dị soma

Sơ đồ chọn dòng kháng Helminthosporium

maydis ở ngô

Nhân giống bằng sản xuất hạt nhân tạo

 Tế bào thực vật có đặc trƣng là không chỉ trở thành tế bào sinh dƣỡng mà còn trở thành tế bào phôi mầm

 Cần thiết trong nông lâm nghiệp

 Tính ƣu việt

+ Dễ làm sạch hết virus

+ Cung cấp phân đạm cho cây

+ Bảo vệ cây khỏi bị sâu và cỏ dại phá hoại

+ Tạo ra các giống mới

Chuyển gen vào cây trồng

 Có 2 con đường tái tổ hợp DNA

+ Chuyển gene trực tiếp

+ Chuyển gene gián tiếp

 Hiệu quả chuyển gen phụ thuộc vào từng loài cây trồng

Chuyển gen vào cây trồng

Lúa tiết kiệm nước ở Bangladesh

Ở cây lúa

Lúa giàu chất dinh dưỡng

ở Đồng bằng sông Cửu Long

Lúa chịu mặn ở Trung Quốc

Lúa thơm đột biến Basmati

ở Sóc Trăng

Giống lúa chất lƣợng cao

:Việt lai 24

Lúa mạch

Lúa mạch chuyển gen bar và gus A

chống bệnh lùn vàng

Một số cây trồng chuyển gen

A: ngô kháng côn trùng

B: lúa mạch kháng virus

C: cà chua cho quả chín muộn D: khoai tây chống chịu chất diệt cỏ

Mía kháng thuốc trừ sâu

Mía kháng thuốc trừ sâu

Dung hợp protoplast

Cà phê kháng bệnh

Bacillus thuringiensis (Bt)

Công nghệ chuyển gene cố định đạm

Công nghệ chuyển gene cố định đạm

 Chuyển gene sản xuất nitrogenase (gene nif) từ vi

khuẩn cố định N2 sang E

coli bằng con đường kĩ thuật gene

 Kĩ thuật gene trong chuyển operon nitrogen vào chất nguyên sinh của cây trồng mong muốn

Mô hình biến nạp gen nif

Ứng dụng trong

chăn nuôi và thú ý

Công nghệ cổ truyền trong việc tạo

giống vật nuôi

Vật liệu

thuần chủng Lai tạo Chọn lọc

Tạo dòng & nhân giống

Củng cố các tính trạng

và làm “trong sạch”

dòng thuần

Nguyên tắc chung:

Các phương pháp lai giống nhằm mục đích tạo giống mới:

• Lai cải tiến

Công nghệ cổ truyền trong việc tạo giống vật nuôi

Các phương pháp lai giống nhằm mục đích tạo giống mới:

• Lai cải tạo

Brahman thường

được dùng lai cải

tạo với giống bò

Vàng Việt Nam

để cải thiện tầm

vóc

Công nghệ mới trong việc chuyển phôi và thao

tác phôi

Chuyển phôi (embryo transfer):

- Được sử dụng để tăng khả năng sinh sản của động vật cái

Công nghệ mới trong việc chuyển

phôi và thao tác phôi

Chuyển phôi (embryo transfer):

- Có hai phương pháp chuyển phôi:

• Phương pháp không phẫu thuật

• Phương pháp không phẫu thuật: sử dụng súng chuyển phôi thu nhỏ xuyên qua cổ vào sừng tử cung

Công nghệ mới trong việc chuyển

phôi và thao tác phôi

Embryos under

the microscope

day 2 / day 3

Chuyển phôi (embryo transfer):

- Thao tác phôi: chia tách phôi (embryo splitting)

- 2 phương pháp chia tách phôi: dùng kim và

dùng dao cắt

Embryo splitting- chia tách phôi bằng dao

Công nghệ mới trong việc chuyển

phôi và thao tác phôi

Siêu bài noãn Thụ tinh Thu nhận phôi Tách khối tế bào phôi dâu

Cấy vào tế bào trứng

chưa thụ tinh

Dung hợp

tế bào Chuyển phôi

Chuyển ghép nhân (nuclear transplantation):

- Tạo nên các dòng vô tính

- Nguyên lí:

Các phương pháp:

Chuyển gen bằng

xung điện Chuyển gen bằng vi tiêm

Các phương pháp:

Vi tiêm DNA

vào tế bào

Công nghệ sinh học trong việc chuyển gene tạo giống vật nuôi

Các bước chính:

- Tách chiết, phân lập gene mong muốn và tạo tổ hợp gene biểu hiện trong tế bào động vật

- Tạo cơ sở vật liệu biến nạp gene

- Chuyển gene vào động vật

- Nuôi cấy phôi trong ống nghiệm

- Kiểm tra động vật được sinh ra từ phôi chuyển gene

Sơ đồ tạo động vật chuyển gen

Chuyển gen động vật

(a) Sinh sản của các động vật chuyển gen bằng các phương thức thao tác tế bào ES (b) Tiếp theo việc chuyển

DNA, các tế bào ES mang thể tái tổ hợp tương đồng có thể được chọn lọc trước khi đưa vào trong túi phôi

Công nghệ sinh học trong việc

chuyển gene tạo giống vật nuôi

Gia súc chuyển gene:

phẩm chữa bệnh

chất lượng sản phẩm tốt

- Gia súc chuyển gene hormone

sinh trưởng

- Gia súc chuyển gene cung cấp các dược phẩm chữa bệnh

• a1- antitripsin và yếu tố làm đông máu IX

(Blood Clotting Factor IX)

• Chất hoạt hóa plasminogene

• Gene urokinase

• Protein C

chất lượng sản phẩm tốt

CÔNG NGHỆ SINH HỌC XỬ LÝ PHÂN THẢI

CÁC TRANG TRẠI CHĂN NUÔI

Xử lý bằng công nghệ sinh học: Sử dụng chế

phẩm Hóa – vi sinh

 Ưu điểm:

- Đầu tƣ thấp, vận hành đơn

giản, không chi phí thiết bị

- Thu hồi triệt để hữu cơ làm

phẩm hóa – vi sinh chuẩn và

hiệu quả cao

Nước thải + phân thải

Hệ thống bể lắng cấp 1

Bể lắng cấp 2

Bể lắng cấp 3

 Phân bón sản xuất theo công nghệ trên đạt chất lƣợng cao làm tăng năng suất cây trồng từ 8,1-13,8% và tăng hiệu quả kinh tế từ 1,78 – 4,08 triệu đồng/ha

 Tăng năng suất cây trồng từ 10-15%, nâng cao chất lƣợng nông sản, cung cấp và bổ sung các vi sinh vật hữu ích, làm tăng độ tơi xốp của đất

Ứng dụng trong

Chế biến thực phẩm

Chế biến tinh bột Sản xuất sữa (sữa chua, phomat)

Công nghệ sinh học

Chế biến rau quả

Sản xuất sữa

1 Sản xuất sữa chua

Sữa chua :

- Là loại đồ uống từ sữa,

có giá trị dinh dƣỡng cao

Quy trình chung để sản xuất

Lên men tạo sữa chua

- Đông tụ sữa

- Giai đoạn giữ chín sữa chua

Quy trình sản xuất sữa chua

Một số hình ảnh về “nấm” kefir trong

sản xuất sữa chua

Một số nhóm vi sinh vật thường gặp trong “nấm” Kefir

2 SẢN XUẤT PHOMAT

• Phô mai một dạng thức ăn giàu dinh dưỡng được chế biến từ sữa và cũng là một phương pháp để bảo quản sữa

• Phô mai là sản phẩm đặc hay bán lỏng dạng tươi hay chín được làm từ việc đông tụ sữa bằng rennet hay các chất gây đông tụ khác rồi làm ráo nước

• Phomai được làm từ khoảng năm 7000 – 4000 tr CN

• Được làm nhiều ở các nước La Mã, Anh

• Ngày nay phomai được sản xuất hơn 10 triệu tấn mỗi năm với 500 loại khác nhau

• Một bước ngoặt trong công nghệ sản xuất phomat là

sử dụng enzym (rennet) để kết tủa protein

 Rennet được chiết từ mô ruột của động vật bằng dung dịch NaCl 10% và bảo quản trong NaCl 20% có bổ sung benzoate natri hoặc propionate natri

 Rennet bò có chất lượng tốt, chứa 90% chymosin + 10% pepsin Chymosin là một peptit có phân tử lượng 35,6 kDa, chứa 320 aa Rennet bò chứa 3 dạng chymosin là

A, B, C với hoạt tính tương đối là 100, 120 và 50 RU/mg

 Do việc hạn chế giết mổ gia súc  cần tìm kiếm nguồn sản xuất rennet thay thế  công nghệ enzyme tái tổ hợp

 Có thể cải biến để thích ứng tốt hơn cho công nghệ sản xuất phomat

Nguyên lý hoạt động của enzyme chymosin trong quá trình

đông tụ sữa

Quy trình sản xuất rennet theo công nghệ truyền thống

Phân loại phomat

• Theo FAO/WHO: có các dạng chính như sau:

- Phomat muối và làm chín

- Phomat làm chín bằng nấm

- Phomat không làm chín hoặc phomat tươi

• Dựa vào lượng béo trong sản phẩm: có thể chia phomat thành các dạng:

 Béo cao (độ béo > 60%)

 Đầy béo (45-60%)

 Béo vừa (25 – 45%)

Béo thấp ( 10 – 25%)

 Không béo (< 10%)

Công nghệ sản xuất phomat

Gồm các bước như sau:

 5 Khuấy trộn ban đầu

 6 Rút nước ban đầu

 7 Gia nhiệt và nấu

Chế biến tinh bột

 Sử dụng nấm men bánh mì Sac cerevisiae để lên men

 Thủy phân tinh bột bằng α-amylase và Amyloglycosidase  sản phẩm có DE (mức độ thủy phân tinh bột thành đường

glucose) cao

 Hiện nay, người ta đã tạo được một số chủng vi khuẩn,

trong đó có Bacillus licheniformis và Bac amyloliquefaciens,

có khả năng tổng hợp α-amylase chịu nhiệt hoạt động được ở

nhiệt độ tới 100oC

 Sản phẩm glucose được sử dụng làm nguyên liệu lên men

- Các loại nước uống lên men có cồn nói chung đều được sản xuất từ nguyên liệu chứa đường

- Quá trình tạo ethanol bằng lên men của các chủng nấm men thuộc giống Saccharomyces

là quá trình chung

Sản xuất bia

Quy trình sản

xuất bia

Rượu trắng

 2 phương pháp: lên men vi sinh vật và hóa học

 Lên men vi sinh vật: chủ yếu, là quá trình lên men rượu

của nấm men (Saccharomyces cerevisiae - chính) và

một số vi sinh vật khác trong điều kiện yếm khí Phương trình tổng quát:

 Các bước:

- Chế biến nguyên liệu thành dịch đường

- Lên men biến đường thành rượu: đường đạt 90- 120 g/L

và pH = 4,5-4,8 Thời gian lên men từ 65-72 giờ

- Chưng cất

- Tinh chế ethanol

 Phương pháp hóa học

Sản xuất rượu vang

Quy trình sản

xuất rƣợu vang

Các giai đoạn sản xuất rƣợu vang (3)

- Mùi vị: Rượu chuyển từ mùi chua gắt sang chua nhẹ dễ chịu

III Giai đoạn vang chín

- Rượu non đã

đủ thành phần nhưng vẫn còn

“sống”  hạ thổ ở nơi mát

để đạt chất lượng tốt

Protein từ nguồn carbohydrate

Protein từ vi khuẩn lam cố định

đạm và vi tảo

Chế biến rau quả

Enzyme pectinase, cellulase, hemicellulase,

amylase, và protease

Tài liệu tham khảo

 Nguyễn Hoàng Lộc (2007) Giáo trình nhập môn công nghệ sinh học Nhà xuất bản Đại học Huế

 Tài liệu trang web/google

CHƯƠNG 8 CÁC ỨNG DỤNG TRONG

I Mở đầu

Ứng dụng CNSH trong

 Nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp đã sản xuất đƣợc protein vỏ của một số loại virus nhƣ virus bệnh dại và viêm gan B,

vaccine tả kiểu mới, vaccine sốt rét và vaccine bệnh phong

 Sản xuất vaccine kỹ thuật gen là một lĩnh vực phát triển mạnh hiện nay của công nghệ DNA tái tổ hợp Đây là loại vaccine đƣợc bào chế từ vi khuẩn đã đƣợc chuyển gen mã hóa tổng hợp một protein kháng nguyên của một loại virus hay một loại

vi khuẩn gây bệnh nào đó

 Mô hình sản xuất vaccine dựa trên cơ sở thực vật (vaccine thực phẩm): chuyển một loại gen kháng nguyên của virus hoặc vi khuẩn vào tế bào thực vật, gen này sẽ hoạt động trong cơ thể và biến thực vật thành nơi sinh ra kháng nguyên Khi những kháng nguyên này đi vào cơ thể người thì hệ thống miễn dịch của người sẽ tự động sinh ra kháng thể đặc hiệu tương ứng

1 Các phương thức tiêm chủng vaccine hiện nay

1 Các vaccine bất hoạt

 Các vaccine bất hoạt được sản xuất từ các virus gây bệnh bằng cách phá hủy độc tính của chúng bằng -propiolactone hoặc formalin nhưng vẫn duy trì khả năng sinh miễn dịch đầy đủ

 Ưu điểm: tương đối an toàn và kích thích các kháng thể chống lại các protein bề mặt của tác nhân gây bệnh

 Các vaccine tiểu đơn vị được xem là một dạng vaccine bất hoạt nhưng có mức độ thấp hơn Trong trường hợp này, một phần của tác nhân gây bệnh (như là protein bề mặt) được sử dụng để gây tạo kháng thể nhằm trung hòa tác nhân gây bệnh

: Là cơ chất hóa học có khả năng gây ra trong cơ thê sư trả lời miễn dịch

:Là những chất được bổ sung vào vaccine , có khả năng kích thích sinh miễn dịch không đặc

hiệu nhằm nâng cao hiệu lực và độ dài miễn

dịch của vaccine

 Khái niệm: Vaccine là chế phẩm có tính kháng nguyên , dùng để tạo miễn dịch đặc hiệu chủ động

nhằm tăng sức đề kháng của cơ thể đối với một số tác nhân gây bệnh cụ thể

Thành phần của vaccine

Đặc tính cơ bản của vaccine

An toàn

Vô trùng, thuần khiết, không độc

Hiệu lực

Vacxin có hiệu lực lớn là vaccin gây được miễn dịch ở mức độ cao

và tồn tại trong một thời gian dài

Tính kháng nguyên

Kháng nguyên mạnh là kháng nguyên khi đưa vào cơ thể một lần

đã sinh ra nhiều kháng thể kháng nguyên yếu là những chất phải đưa vào nhiều hoặc phải kèm theo một tá dược mới sinh được một

ít kháng thể

Tính miễn dịch

Tạo ra hiệu quả đề kháng cho cơ thể về sau khi tác nhân gây bệnh xâm

nhập với đầy đủ độc tính