NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên: GS TS NCVCC Đặng Diễm Hồng Viện Công nghệ sinh học Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam ĐT: 091 534 3660; 02 379 11059; Email: ddhong60vn@yahoo.com; ddhong@ibt.ac.vn; ddhong@tlu.edu.vn TLU, 3.2.2020 NỘI DUNG TĨM TẮT MƠN HỌC -Người học hiểu Cơng nghệ Sinh học gì? Người học nắm công nghệ sinh học ngành khoa học ứng dụng hiểu biết người hệ thống sống để sử dụng hệ thống thành phần chúng cho mục đích cơng nghiệp Người học hiểu từ sản phẩm công nghệ lên men truyền thống đến sản phẩm công nghệ sinh học nhận thức phạm vi nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học ngày mở rộng, đa dạng hướng đến công nghiệp công nghệ sinh học Người học nhận thức cơng nghệ sinh học phối hợp khoa học công nghệ để khai thác kiến thức hệ thống sống cho ứng dụng thực hành -Môn học giúp cho người học nắm kiến thức từ định nghĩa, lịch sử hình thành ngành cơng nghệ sinh học đến thông tin công nghệ ADN tái tổ hợp, công nghệ lên men vi sinh vật, công nghệ sinh học thực vật, công nghệ sinh học động vật, công nghệ protein Mặt khác, sinh viên nắm ứng dụng công nghệ sinh học nông nghiệp, y-dược môi trường - Từ điều học, sinh viên vận dụng ưu vật thể sống để sản xuất hệ thống sống hàng loạt có suất phẩm chất tiến mang tính chất cơng nghiệp, phù hợp theo nguyên lý Công nghệ Sinh học GIÁO TRÌNH SỬ DUNG, TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình: - Nguyễn Hồng Lộc (2007), Giáo trình Nhập mơn Cơng nghệ sinh học Nhà Xuất Đại học Huế, năm 2007, 366 trang Các tài liệu tham khảo: - Nguyễn Như Hiền (2012) Sinh học phân tử tế bào- Cơ sở khoa học công nghệ sinh học Nhà xuất Giáo dục Việt Nam (Tập 1) - Vũ Văn Vụ, Trương Mộng Hùng, Lê Hồng Điệp (2012) Công nghệ sinh học tế bào (Tập 2) Nhà xuất Giáo dục Việt Nam 183 trang - Phạm Thị Trân Châu, Phan Tuấn Nghĩa (2012) Enzyme ứng dụng (Tập 3) Nhà xuất Giáo dục Việt Nam - Trịnh Đình Đạt (2012) Cơng nghệ di truyền (Tập 4) Nhà xuất Giáo dục Việt Nam - Phạm Văn Ty (2012) Công nghệ vi sinh môi trường (Tập 5) Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 175 trang - Lê Trần Bình (Chủ biên), Quyền Đình Thi (2009) Cơ sở công nghệ sinh học Tập 1- Công nghệ gen Nhà xuất Giáo dục Việt Nam 323 trang - Đặng Thị Thu (Chủ biên), Tô Kim Anh, Lê Quang Hòa, Đỗ Ngọc Liên, Nguyễn Thị Xuân Sâm, Lê Ngọc Tú, Đỗ Hoa Viên (2009) Cơ sở công nghệ sinh học – tập – Cơng nghệ hóa sinh Nhà xuất Giáo dục Việt Nam 315 trang - Nguyễn Quang Thạch (Chủ biên), Nguyễn Thị Lý Anh, Phạm Kim Ngọc, Trần Văn Minh, Nguyễn Thị Phương Thảo (2009) Cơ sở công nghệ sinh học Tập 3- Công nghệ sinh học tế bào, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 548 trang - Lê văn Nhương (Chủ biên), Nguyễn Văn Cách (Chủ biên), Quản Lê Hà, Trần Liên Hà, Nguyễn Thanh Hằng, Hồng Đình Hịa, Nguyễn Lan Hương, Ngơ Thị Mại, Đinh Kim Nhung, Khuất Hữu Thanh, Nguyễn Quang Thảo, Phạm Thị Thùy, Phạm Văn Tồn (2009) Cơ sở cơng nghệ sinh học Tập 4- Công nghệ vi sinh Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 513 trang - Hồ Huỳnh Thuỳ Dương (1997) Sinh học Phân tử Nhà xuất Giáo dục - Võ Thị Thương Lan (1999) Sinh học Phân tử Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội - Lê Đinh Lương (2000) Kỹ thuật Di truyền ứng dụng Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Nội dung: - Phần 1: Các khái niệm nguyên lý -Chương 1: Mở đầu -Chương 2: Công nghệ DNA tái tổ hợp -Chương 3: Công nghệ lên men vi sinh vật -Chương 4: Công nghệ sinh học thực vật -Chương 5: Công nghệ sinh học động vật -Chương 6: Công nghệ protein Phần 2: Các ứng dụng Công nghệ sinh học -Chương 7: Các ứng dụng nông nghiệp -Chương 8: Các ứng dụng Y-Dược -Chương 9: Các ứng dụng môi trường Tài liệu tham khảo: Giáo trình: PGS TS Nguyễn Hồng Lộc, 2007 Nhập môn Công nghệ sinh học Nhà xuất Đại học Huế, 2007, 355 trang Diễn biến Covid-19 giới 7AM, ngày 11/3/2020 Giới thiệu CoVid-19 Cách gọi tên chủng virus corona gây dịch viêm phổi Vũ Hán, Trung Quốc nhƣ sau: - Trƣớc ngày 12/2/2020: + 2019-nCoV: Novel Corona Virus 2019 + Trung Quốc gọi là: NCP Novel Coronavirus Pneumonia Virus corona chủng - Ngày 12/2/2020 WHO thống tên gọi: Covid-19 Đƣờng lây ca dƣơng tính Co: Corona nCoV Việt Nam (9/2/2020) Vi: Virus D: disease 19: 2019  Covid-19 đƣợc chọn khơng liên quan đến vị trí địa lý, lồi động vật chứa virus này, cá nhân hay nhóm ngƣời nào, đồng thời dễ phát âm liên quan đến bệnh  Thay cách gọi 2019-nCoV NCP 13/2/2020 Vi khuẩn Pseudomonas fluorescens Pseudomonas fluorescens đƣợc tái tổ hợp với gen sản sinh chất diệt côn trùng sinh học Bac thuringiensis Các vi khuẩn đƣợc thả vào đất, chúng bám vào rễ giúp tiêu diệt côn trùng công Các ứng dụng công nghệ vi sinh - Insulin - thay hormone dùng điều trị bệnh tiểu đƣờng type I - Hormone sinh trƣởng ngƣời - điều trị trẻ em bị bệnh lùn bệnh già trƣớc tuổi - Interferone - điều trị số loại ung thƣ, viêm gan mạn tính - Interleukin-2, chất hoạt hóa tế bào T B - điều trị ung thƣ - Erythropoietin (EPO), chất kích thích tế bào tủy sống sinh hồng cầu - điều trị số bệnh thiếu máu - Hoạt tố plasminogen mô (tPA), enzyme tham gia vào trình làm tan cục máu đông (huyết khối) - Nhân tố VIII, protein gây đông máu cho ngƣời ƣa chảy máu - Các vaccine tái tổ hợp cho bệnh viêm gan bệnh viêm màng não Hemophilus influenza B gây - Octolon, chất ức chế miễn dịch dùng cho bệnh nhân cấy ghép nội tạng Các ứng dụng công nghệ vi sinh Insulin, chất thay hormone dung điều trị bệnh tiểu đƣờng type I Interleukin 2, chất hoạt hóa tế bào T B đƣợc dung điều trị ung thƣ Interferone, chất miễn dịch đƣợc sử dụng để điều trị số loại ung thƣ, viêm gan mạn tính Erythropoietin, chất kích thích tế bảo tủy sống sinh hồng cầu Câu hỏi ôn tập Chương Câu 2: Em trình bày đặc điểm sinh trưởng vi sinh vật? Sinh trưởng vi sinh vật tạo trao đổi chất, để sản xuất chất trao đổi mong muốn thể chúng phải sinh trưởng điều kiện nuôi cấy đặc biệt với tốc độ sinh trưởng đặc trưng - Nếu vi sinh vật đưa lần vào môi trường sinh trưởng, ni cấy ban đầu trải qua số giai đoạn hệ thống gọi nuôi cấy mẻ (batch culture) - Đầu tiên, sinh trưởng khơng xuất q trình xem pha lag, coi thời kỳ thích nghi Tiếp theo khoảng thời gian mà tốc độ sinh trưởng tế bào tăng dần, tế bào sinh trưởng với tốc độ cực đại không đổi, thời kỳ xem pha log pha sinh trưởng theo hàm mũ mơ tả phương trình: dx/dt=µx (1) Trong đó: x nồng độ tế bào (mg/ml), t thời gian ni cấy (giờ), µ tốc độ sinh trưởng đặc trưng (giờ) Từ phương trình tích phân (1) ta có: xt=xoeµt (2) Trong đó, xo nồng độ tế bào thời điểm bắt đầu nuôi cấy xt nồng độ tế bào sau khoảng thời gian t (giờ) - Như vậy, đường cong logarithm tự nhiên nồng độ tế bào theo thời gian t có độ dốc tốc độ sinh trưởng đặc trưng - Tốc độ sinh trưởng đặc trưng suốt pha log đạt cực đại điều kiện nuôi cấy thông thường mô tả tốc độ sinh trưởng cực đại đặc trưng (μmax) - Phương trình (1) (2) bỏ qua trường hợp sinh trưởng làm tiêu hao chất dinh dưỡng tăng tích lũy độc tố sản phẩm Tuy nhiên, thực tế chất dinh dưỡng bị hao hụt sản phẩm độc tích lũy, tốc độ sinh trưởng tế bào không đạt cực đại cuối làm ngừng trình sinh trưởng, lúc ni cấy vào pha tĩnh sau thời gian vào pha chết, dẫn đến giảm số lượng tế bào sống sót - µ = (µmax S)/(KS + S) (3) Trong đó: Ks số sử dụng bão hòa, giá trị nồng độ chất μ 1/2 μmax Ở trạng thái ổn định, μ =D, thế: D= (µmax S)/ (KS+S) Trong đó: S nồng độ chất trạng thái ổn định chemostat S= (KSD)/(µmax –D) (4) Phương trình (4) cho thấy nồng độ chất xác định tốc độ pha loãng - Trong thực tế, điều xảy sinh trưởng tế bào làm tiêu hao chất tới nồng độ cần thiết để tốc độ sinh trưởng tốc độ pha loãng Nếu chất bị hao hụt mức cần thiết tốc độ sinh trưởng phụ thuộc tốc độ pha loãng loạt khả xảy sau: - Tốc độ sinh trưởng tế bào tốc độ pha loãng chúng bị rửa trơi khỏi bình ni tốc độ lớn tốc độ mà chúng sản xuất, kết làm giảm nồng độ sinh khối tế bào - Nồng độ chất bình ni tăng lên tế bào để lại bình ni để tiêu thụ - Nồng độ chất tăng lên bình ni cho kết tế bào sinh trưởng tốc độ lớn tốc độ pha loãng nồng độ sinh khối tăng - Trạng thái ổn định thiết lập trở lại - Chemostat hệ thống nuôi cấy tự cân giới hạn chất dinh dưỡng, trì trạng thái ổn định phạm vi rộng tốc độ sinh trưởng cực đại đặc trưng + Ni cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng (fed-batch culture) xem hệ thống trung gian q trình ni cấy mẻ (batch) nuôi cấy liên tục (continuous) Thuật ngữ nuôi cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng dùng để mơ tả nuôi cấy mẻ cung cấp dinh dưỡng liên tục (hoặc nối tiếp nhau) môi trường mà không loại bỏ dịch nuôi cấy cũ Như vậy, thể tích loại ni cấy tăng lên theo thời gian - Pirt (1975) mô tả động học hệ thống sau: Nếu sinh trưởng thể bị giới hạn nồng độ chất mơi trường sinh khối pha tĩnh, xmax, mơ tả phương trình: x = Y SR max Trong đó: Y yếu tố hiệu suất, khối lượng tế bào sản xuất gram chất sử dụng, SR nồng độ ban đầu chất giới hạn sinh trưởng Nếu môi trường bổ sung vào bình ni tốc độ pha lỗng μmax sau tất chất sử dụng vào hệ thống: FSR = µ (X/ Y) Trong đó: F tốc độ dòng chảy X sinh khối tổng số bình ni, ví dụ: nồng độ tế bào nhân lên thể tích ni cấy - - Cho dù sinh khối tổng số (X) bình ni tăng lên theo thời gian nồng độ tế bào (x) khơng đổi; dx/ dt = m = D Một hệ thống xem trạng thái gần ổn định (quasisteady-state) Khi thời gian thể tích ni cấy tăng lên, tốc độ pha lỗng lại giảm Như vậy, giá trị D đưa sau: D= (F/(Vo + Ft) Trong đó: F tốc độ dịng chảy, V0 thể tích ni cấy ban đầu, t thời gian - Động học Monod dự báo D hạ xuống nồng độ chất thừa giảm kết làm tăng sinh khối Tuy nhiên, phạm vi tốc độ sinh trưởng hoạt động tăng sinh khối khơng có ý nghĩa Sự khác trạng thái ổn định chemostat trạng thái gần ổn định fed-batch chỗ chemostat D (kể từ μ) số fed-batch D lại giảm theo thời gian Tốc độ pha lỗng fedbatch giữ khơng đổi cách tăng (theo hàm mũ) tốc độ dòng chảy nhờ sử dụng hệ thống điều chỉnh thông qua computer Câu 2: Em trình bày hiểu biết sinh khối vi sinh vật công nghệ lên men nuôi sinh khối vi sinh vật? Sự lên men vi sinh vật phân loại theo nhóm sau: - Sản xuất tế bào vi sinh vật (sinh khối) sản phẩm - Sản xuất chất trao đổi vi sinh vật - Sản xuất enzyme vi sinh vật - Sản xuất sản phẩm tái tổ hợp Sinh khối vi sinh vật Công nghệ thu sinh khối vi sinh vật q trình ni cấy chủng khiết hỗn hợp vài chủng để thu khối lượng tế bào sau sinh trưởng với mục đích: - Sinh khối giàu protein dùng làm thực phẩm cho người thức ăn cho gia súc tế bào vi sinh vật (kể sinh khối tảo) sấy khô chết, giàu protein, vitamin nhóm B chất khống Nguồn sinh khối gọi protein đơn bào - Sinh khối nấm men tế bào sống để dùng cơng nghiệp bánh mì-men bánh mì, sinh khối vi khuẩn lactic sống có hoạt tính enzyme tiêu hóa để sản xuất thuốc hỗ trợ tiêu hóa biolactovin… - Sinh khối cố định đạm làm phân bón vi sinh, loại phân bón visinh với vi khuẩn sống tự đất sống cộng sinh với họ đậu - Sinh khối vi khuẩn sinh độc tố loại sâu thân mềm phá hoại rau màu, để sản xuất thuốc trừ sâu vi sinh - Sinh khối vi sinh vật có hệ enzyme phân giải chất hữu kể thuốc trừ sâu hydrocarbon để sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý nướcthải ô nhiễm bảo vệ môi trường Quá trình lên men - Đưa sơ đồ chung q trình lên men -Phân tích bước sơ đồ chung trình lên men + Phần trung tâm hệ thống hệ lên men, thể sinh trưởng điều kiện tối ưu để tạo thành sản phẩm + Trước lên men bắt đầu, môi trường phải pha chế khử trùng, hệ lên men vô trùng, nuôi cấy khởi đầu phải có số lượng vi sinh vật vừa đủ trạng thái sinh lý phù hợp để cấy truyền vào hệ lên men sản xuất + Kết thúc trình lên men sản phẩm phải tinh xử lý thêm Các kiểu lên men khác Các thể vi sinh vật sinh trưởng kiểu nuôi cấy mẻ a Nuôi cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng ni cấy liên tục Ưu điểm nuôi cấy liên tục sản xuất sinh khối rõ rệt sản phẩm vi sinh khác nhược điểm lại lớn ưu điểm kỹ thuật có khả điều chỉnh để cải thiện q trình lên men - Hiệu suất nuôi cấy theo mẻ (đưa công thức) - Rbatch - Hiệu suất nuôi cấy liên tục – Rcont - Nhược điểm thường xuyên hệ thống nuôi cấy liên tục mẫn cảm chúng với nhiễm bẩn thể bên Ngăn cản nhiễm bẩn vấn đề hàng đầu thiết kế hệ lên men, xây dựng vận hành, phải khắc phục công nghệ tốt Sản xuất sản phẩm phụ kết hợp với sinh trưởng hiệu nuôi cấy liên tục Nhưng việc ứng dụng nuôi cấy liên tục để sản xuất sản phẩm sinh tổng hợp vi sinh vật (ngược với dị hóa) gặp nhiều hạn chế b Ni cấy mẻ có cung cấp dinh dưỡng (ni cấy fed batch) + Có thể sử dụng để đạt tới mức độ đáng kể điều chỉnh trình mở rộng thời gian sản xuất q trình ni cấy mẻ truyền thống mà khơng có nhược điểm cố hữu ni cấy liên tục mơ tả +Ưu điểm cung cấp thành phần môi trường vào nuôi cấy chất dinh dưỡng trì nồng độ thấp suốt trình lên men Nồng độ chất dinh dưỡng thấp thuận lợi số mặt sau: + Duy trì điều kiện ni cấy phạm vi khả thơng khí hệ lên men + Loại bỏ ảnh hưởng khắc nghiệt thành phần môi trường, + Tránh hiệu độc thành phần môi trường + Cung cấp mức độ giới hạn chất dinh dưỡng cần thiết cho chủng dị dưỡng c Nuôi cấy theo kiểu perfusion -Hàng ngày lấy dịch nuôi ra, thu lại tế bào để bổ sung lại bình ni, bỏ môi trường cũ đồng thời bổ sung lượng tương ứng môi trường nhằm loại bỏ chất chuyển hóa tích lũy tỏng mơi trường nuôi ức chế sinh trưởng tế bào Tài liệu tham khảo: Nguyễn Hoàng Lộc (2007) Giáo trình Nhập mơn Cơng nghệ sinh học, nhà xuất Đại học Huế Tài liệu trang Web ... ngành cơng nghệ sinh học đến thông tin công nghệ ADN tái tổ hợp, công nghệ lên men vi sinh vật, công nghệ sinh học thực vật, công nghệ sinh học động vật, công nghệ protein Mặt khác, sinh viên... -Chương 3: Công nghệ lên men vi sinh vật -Chương 4: Công nghệ sinh học thực vật -Chương 5: Công nghệ sinh học động vật -Chương 6: Công nghệ protein Phần 2: Các ứng dụng Công nghệ sinh học -Chương... khía cạnh khoa học kinh tế công nghệ sinh học đại IV • Các vấn đề pháp lý công nghệ sinh học đại Thế kỷ 21 kỷ Công nghệ sinh học! Nhiều câu hỏi đƣợc đặt nhƣ sau: - Vậy Công nghệ sinh học gì? - Tại