oxidative phosphorylation nutrients o2  atp h2o sinh hoïc ñaïi cöông a1 30 tieát lyù thuyeát gvc ths leâ thò myõ phöôùc boä moân coâng ngheä sinh hoïc ñaïi hoïc khoa hoïc töï nhieân tphcm ch

• – Vaøo thaäp nieân 1970, Caùch maïng coâng ngheä sinh hoïc buøng noå sau phaùt minh Kyõ thuaät di truyeàn, laøm cho c on ngöôøi coù theå thay quyeàn taïo hoùa caûi bieán caùc s[r]

SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG A1

(30 tiết Lý thuyết )

GVC.ThS LÊ THỊ MỸ PHƯỚC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TPHCM

CHƯƠNG I

SINH HỌC - CÁC KHOA HỌC VỀ

SỰ SỐNG

I THẾ NÀO LÀ SINH HỌC ?

II SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT

TRIỂN

III CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN

IV THẾ GIỚI SINH VẬT VỚI

VĂN HÓA VIỆT NAM

I THẾ NÀO LÀ SINH HỌC ?

Sinh học : “Khoa học về sự sống“

Biology (tiếng Anh), Biologie (tiếng Pháp),

Biologia (tiếng Nga)

chữ Hy Lạp : Bios (sự sống) và Logos (môn học hay

học thuyết).

SỰ SỐNG LÀ GÌ ?

Theo ngôn ngữ Việt nam chữ sống có nhiều nghĩa:

chưa chết, tươi (chưa chín như rau sống, ),

Ở đây sự sống được hiểu là dạng hoạt động vật

chất có trong mỗi sinh vật.

• Sinh học là một ngành khoa học tự nhiên nghiên

cứu thế giới sinh vật, có vị trí và vai trò đặc biệt

đối với con người

 Thứ nhất, con người nghiên cứu chính bản thân

mình và những thành tựu của nó phục vụ trực

tiếp nhiều nhất cho con người Gần đây, có

nhiều phát minh rất “đáng sợ”

 Thứ hai, đây là ngành khoa học rất gần gũi

nhưng đầy bí ẩn đối với con người vì thế giới sinh

vật bao quanh tạo môi trường và phương tiện

sống, có nhiều bạn và lắm kẻ thù

 Thứ ba, phạm vi nghiên cứu rất rộng: từ nguồn

gốc sự sống, sự chuyển tiếp vô sinh thành sinh

vật, đến nguồn gốc loài người chuyển từ sinh vật

sang đời sống xã hội

 Thứ tư, đây là ngành khoa học có quá khứ lâu

đời, nhưng luôn mới mẻ và triển vọng to lớn

THẾ KỶ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

• Công nghệ sinh học có thẻâ 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 thương phẩm phục vụ cho lợi ích con người.

• Nhân loại đang sống ở thiên niên kỷ

mới thứ ba, thế kỷ 21,« thế kỷ công

nghệ sinh học », cụm từ không còn chỉ

về tương lai như cách nay vài thập niên mà khẳng định một hiện thực.

II SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN.

• 1 Những phát minh ban đầu.

 Những kiến thức sinh học đã được những người cổ Hy Lạp và La Mã hệ thống lại

 Từ thời Aristotle (384-322 trước CN) đã có những học

thuyết về sinh vật

 Galen (131-200 sau CN) là nhà sinh lý học thực nghiệm

đầu tiên nghiên cứu chức năng của thần kinh và máu

 Pliney (23-79 sau CN) đã soạn bách khoa toàn thư ghi

lại một số sự kiện về sinh vật

 Trong thời trung cổ các mô tả về động thực vật được tiếp tục tiến hành Trong thời phục hưng nghiên cứu sinh

học được đẩy mạnh như các ngànhø khoa học khác

 Vesalius (1514-1564), Harvey (1578-1657) và John Hunter (1728-1793) đã nghiên cứu cấu

trúc và chức năng của động vật nói chung và ở

người, đã đưa đến sự hình thành giải phẫu học

và sinh lý học

 Nhờ phát minh ra kính hiển vi ở thế kỷ 17,

Malpighi (1628-1694), Swammerdam

(1637-1680) và Leeuwenhoek (1632-1723) nghiên cứu

cấu trúc tinh vi của một số mô động vật và thực vật Leeuwenhoek là người đầu tiên mô tả vi

khuẩn, nguyên sinh động vật và tinh trùng

 Carl Linné (1707-1778) là nhà sinh học Thụy

Điển đã đóng vai trò quyết định trong việc xây

dựng hệ thống thực vật và động vật.

• 2 Các phát minh lớn thế kỷ 19.

• Trong thế kỷ 19 sinh học phát triển mạnh và có

những phát minh lớn:

 Học thuyết tế bào do Schleiden và Schwann nêu ra

năm 1838, 1839.

 Học thuyết tiến hóa của thế giới sinh vật do Charles

Darwin nêu ra trong tác phẩm “Nguồn gốc các loài”

năm 1859 làm thay đổi tư duy nhân loại : con người

không phải là trung tâm vũ trụ

 Những năm 1860, các nghiên cứu của L.Pasteur đã mở đường cho sự phát triên vi sinh vật học và CNSH vi sinh vật.

 Năm 1865, Mendel chứng minh sự tồn tại của các nhân

tố di truyền (gen) mở đầu cho các nghiên cứu đi sâu

vào thế giới vi mô của sự sống

 Năm 1868, F Miescher phát minh ra DNA.

• Những phát minh này đặt nền móng vững chắc cho sự phát triển sinh học.

• 3 Sinh học thế kỷ 20.

• Sau phát minh DNA, giới khoa học đã tiên

đoán thế kỷ 21 là “thế kỷ sinh học” và sự

phát triển vượt bậc của Sinh học nữa cuối thế kỷ 20 đã biến dự báo thành hiện thực Các

thành tựu lớn đáng kể là:

 Năm 1910-1920, T.H.Morgan với thuyết DI

TRUYỀN NHIỄM SẮC THỂ.

 Năm 1953, J.Watson, Fr.Crick với chuỗi xoắn kép DNA.

 Năm 1953, thụ tinh nhân tạo đầu tiên cho

 Năm 1958, tách được enzyme DNA-polymerase, xúc tác tổng hợp DNA trong ống nghiệm.

 Năm 1962, sinh sản vô tính đầu tiên được thực hiện ở ếch bằng tế bào tách biệt.

 Năm 1966, hoàn thiện mã di truyền.

 Năm 1972, con chuột đầu tiên được sinh ra từ phôi

đông lạnh

Năm 1973, KỸ THUẬT DI TRUYỀN ra đời, con bê đầu tiên được sinh ra từ phôi đông lạnh

 Năm 1979 tạo được đứa bé đầu tiên từ ống nghiệm.

 Năm 1980 sản xuất được insulin bằng tái tổ hợp.

Năm 1981, lần đầu tiên thành công trong

việc tạo được chuột đã chuyển hóa gen, tạo được chuột nhắt to lớn hơn nhờ hormone

tăng trưởng của chuột cống.

Năm 1983, cây thuốc lá đầu tiên được

chuyển hóa gen.

Năm 1984, đứa trẻ đầu tiên được sinh sản từ phôi đông lạnh.

Năm 1985, đầu tiên tạo được heo bằng

chuyển hóa gen, thực vật đầu tiên chuyển

hóa gen có khả năng kháng sâu bệnh.

1994, trái cây đâàu tiên tạo từ chuyển

gen đã thị trường hóa

1995, em bé đầu tiên tạo ra từ một noãn bào và tinh trùng

1996, ghép khác loài đầu tiên: tim lợn được nhân hóa ghép cho 1 khỉ đầu chó

1997, tạo được cây thuốc lá sản xuất

huyết tương

Tháng 2/1997, Wilmut công bố nhân

bản vô tính động vật (Animal

cloning) cừu Dolly

CÁC HỌC THUYẾT CỦA THẾ KỶ 20

 Tìm ra bản chất các enzyme và vai trò của chúng trong các quá trình trao đổi chất.

 Gen kiểm tra quá trình trao đổi chất: giả thuyết 1 gen - 1 enzyme.

 Học thuyết trung tâm (central dogma) của sinh học phân tử.

sao chép

• DNA mRNA protein

• phiên mã dịch mãû

 Các hormone điều hòa chức năng của các tế bào.

 Học thuyết về hoạt động thần kinh cấp cao.

 Các mối quan hệ tương hỗ giữa các sinh vật và

môi trường.

•

 Vào những năm 1960, các phát minh Sinh học phân tử liên tiếp ra đời : 64 codon của mã di

truyền (1961), điều hòa sự biểu hiện gen (1962),

…

 Đặc biệt các nghiên cứu ở mức tế bào và

phân tử đã dẫn đến sự hình thành và phát

triển sinh học phân tử.

 Từ đầu những năm 70, kỹ thuật di truyền

(gentech) ra đời kéo theo sự bùng nổ của công

nghệ sinh học (biotechnology) là sự tích hợp

của nhiều bộ môn sinh học, hóa học và cả vật lý học Một cuộc cách mạng mới trong sinh học đã bắt đầu và đến nay chưa lường hết

được những thành tựu mà nó sẽ đem lại.

•

NĂM 2003

• Kỷ niệm 50 năm ra chuỗi

xoắn kép DNA Watson-Crick,

• Hòan tất chỉnh lý bộ gen

người với chất lượng cao.

KỸ THUẬT DI TRUYỀN

• – Năm 1972 – 1973, kỹ thuật di truyền ra đời

làm “bùng nổ” cách mạng CNSH Con người có

khả năng cắt, nối, ghép, chép và chuyển gen trong ống nghiệm (in vitro) Kỹ thuật di truyền dẫn đến tư duy và phương pháp luận mới trong

nghiên cứu sinh học và các ứng dụng thực tiễn.

• – Con người có khả năng vượt giới hạn

tiến hóa, thay quyền tạo hóa cải biến

sinh giới và cả bản thân cơ thể sinh học của con người.

• Tháng 2/1997,

Wilmut công bố

nhân bản vô tính

động vật (Animal

cloning) cừu Dolly, mở ra triển vọng

to lớn trong nhân giống nhiều loài

động vật từ nhân của tế bào soma (tế bào thường cuả cơ thể), kể cả nhân

bản người.

Tế bào gốc

(Stem cell) từ phôi và tế bào soma

III CÁC ỨNG DỤNG

THỰC TIỄN

1 Các ứng dụng tạo ra những cuộc

cách mạng mới

• 2 Cải thiện toàn diện chất lượng cuộc

sống con người

• 3 Một bộ phận của nền kinh tế tri thức

• 4 Những điều “đáng sợ”.

• 5 Thế kỉ CNSH là một tất yếu lịch sử

1 Các ứng dụng tạo ra những

cuộc cách mạng mới

• – Vào thập niên 1960,  Cách mạng xanh đã

làm tăng vọt sản lượng lúa mì, lúa nước nhờ các giống đột biến thân lùn Hiện nay có các giống lúa Thần nông đang trồng phổ biến ở nước ta.

• – Vào thập niên 1970, Cách mạng công nghệ

sinh học bùng nổ sau phát minh Kỹ thuật di truyền, làm cho con người có thể thay quyền tạo hóa cải biến các sinh vật và các cụm từ Cách mạng di truyền, Thời đại gen đã trở

nên phổ biến (hình 1.5), mà đến nay chưa

thấy giới hạn ngoại trừ đạo lí sinh học

(Bioethics).

• Một đặc điểm của CNSH là sự gắn chặt

giữa nghiên cứu cơ bản và ứng dụng

Sự giải ký tự chuỗi thành công ở bộ

gen người và hàng trăm các sinh vật

khác đã tạo ra ngành khoa học nghiên cứu về bộ gen - Genomics (genome : bộ

gen) và nghiên cứu về protein là

Proteomics Kèm theo đó là những

cuộc cách mạng trong từng ngành và

hình thành Y dược học bộ gen

(Medico-pharmaceutical genomics), Nông

nghiệp dựa vào bộ gen (Agricultural

genomics), Sinh môi dựa vào bộ gen

(Environmental genomics).

• Tuy nhiên, bên cạnh mặt tích cực

vẫn có nhiều vấn đề gây lo lắng

và thậm chí sợ hãi cho nhiều

người như các sinh vật biến đổi

gen (Genetically Modified

Organism-GMO) hay nhân bản vô

tính người,… Do đó, vấn đề đạo lí sinh học (bioethics) và an toàn

sinh học (biosafety) được đặt ra và

đã có nhiều luật cấm các thí

nghiệm phi đạo lí như nhân bản

người.

• 2 Cải thiện toàn diện chất lượng

cuộc sống con người

• Một đặc điểm nổi bật và đồng

thời là khác biệt lớn nhất của CNSH

so với các ngành khoa học kỹ thuật mũi nhọn khác là ảnh hưởng trực

tiếp và gián tiếp đến con người

Những triệu phú và tỉ phú tin học

đầu tư cho CNSH vì có thể có những con đường mới cải thiện cuộc sống con người.

• Cải thiện toàn diện chất lượng cuộc sống

con người là nhu cầu cấp thiết của nhân

loại trong thế kỷ mới này, khi mà đời sống vật chất không ngừng được nâng cao và

khoa học công nghệ ở tầm cao mới CNSH phải ở vị trí hàng đầu trong thỏa mãn khát vọng đó Nó tác động tích cực đến mọi mặt

đời sống con người, bao gồm duy trì mạng

sống, nuôiï sống, cung cấp phương tiện sống và tạo môi trường sống.

• Hiện nay, với khả năng đến mức có thể cải

biến con người thay quyền tạo hoá, CNSH

có nhiều phương tiện kỹ thuật cao để thỏa mãn ước vọng của loài người

• Ví dụ qua sự phát triển của y học :

• – Trước 1970 : Y học lâm sàng, chủ yếu hóa sinh

và thuốc phân tử nhỏ.

• – 1975 – 1995 : Y sinh học phân tử có khả

năng tạo dòng gen (Gene cloning), xác định các gen bệnh, tạo protein tái tổ hợp trị liệu (insulin, interferon, ) và phát hiện cơ chế bệnh như tế bào chết theo chương trình

(apoptosis).

• – 1995 : Y học bộ gen (Genomic medecine)

có thể chẩn đoán sự khác nhau trên từng

nucleotide giữa các cá thể người, dẫn đến Y

học cá thể hóa (Individualized medecine), Bộ gen dược học (Pharmacogenomics),

Proteomics, Bioinformatics,

SINH MẠNG

• – Mạng sống con người : giải

quyết những vấn đề vốn có mà những con người phải trải qua:

sinh, lão, bệnh, tử Có thể cải

biến con người thay quyền tạo hóa.

• Sinh : chẩn đoán sớm, chữa bệnh vô sinh,

săn sóc cho người có thai,« thiết kế trẻ

em »,…

• Lão : Giấc mơ cải lão hoàn đồng và bất tử

đã có từ lâu đời, ngay cả ở những bật vua chúa, hoàng đế, nhưng tất cả đều về với cát bụi Khả năng kéo dài tuổi thọ : tuổi thọ trung bình dự báo là 120 tuổi trong thế kỷ 21 Các gen của những người sống lâu trên 100 tuổi đang được nghiên cứu.

• Bệnh : CNSH đang tập trung nỗ lực tìm các

loại thuốc hiệu nghiệm chửa khỏi khỏi các bệnh hiểm nghèo như ung thư, AIDS,….

• Thuốc cho mọi người : người trung niên,

người già Y học cá thể hóa sẽ phát triển mạnh và biện pháp dự phòng cho mỗi

người khỏi bệnh sẽ là xu hướng chủ yếu

của y học thế kỷ 21.

• Tử : Hiện nay, con người có nhiều khả

năng kéo dài cuộc sống con người và vấn đề « bất tử » không còn là viễn tưởng.

• – Nuôi sống : đó là những vấn đề

thường nhật con người phải có để duy trì sự sống mà hiện nay nạn đói đe

doạ hàng trăm triệu người trên thế

giới Vấn đề lương thực thực phẩm liên quan đến các ngành nông lâm ngư

nghiệp, mà CNSH đã tạo nên cuộc

cách mạng ở tất cả các lĩnh vực này.

• – Chất lượng sống : Hơn thế nữa,

thế giới sinh vật cung cấp những

phương tiện sống căn bản cho con người Đó là không khí trong lành để thở, cơm, thịt, cá để ăn ngon , vải để mặc đẹp…

• Nhưng yêu cầu ngày càng cao về

chất lượng như : sạch và có lợi về môi sinh.

3 Một bộ phận của nền kinh tế tri thức

• Nền kinh tế tri thức đòi hỏi công nghệ cao và sự

sáng tạo lớn Trước hết phải nói đến kỹ thuật

mấu chốt quyết định sự ra đời của CNSH hiện

đại, đó là kỹ thuật tái tổ hợp DNA (DNA

recombinant Technology), gọi đơn giản là công

nghệ gen

• Ngoài ra, như trên đã nói : CNSH liên quan chặt

chẽ với những ngành khoa học công nghệ hàng đầu của thế kỷ như Tin học, Công nghệ nano,

vật liệu mới và đòi hỏi nhiều sáng tạo Chính

những sáng tạo mới sẽ đẩy nhanh tốc độ phát

triển của CNSH.

• Mục đích cuối cùng của đa phần các

nghiên cứu CNSH là tạo ra thương

phẩm và do vậy nó cũng chịu sự chi

phối đáng kể về hiệu quả kinh tế Sự

phát triển nhảy vọt trong kinh doanh của CNSH đã thể hiện ngay từ 15

tháng 10 năm 1980, trong vòng 20

phút, giá cổ phiếu ở thị trường chứng khoáng New York của Công ty CNSH

Genentech tăng từ 35 USD lên 89 USD

và cuối ngày ở mức 71,25 USD với

• 528 000 cổ phiếu Lần đầu tiên trong

lịch sử thị trường chứng khoán có sự tăng vọt như vậy.

• Những động lực kinh tế đã thu hút nguồn

vốn đầu tư lớn từ nhiều nguồn khác nhau,

đặc biệt có sự tham gia của các tập đoàn đa

quốc gia hóa dược khổng lồ như Monsanto,

Du Pont, Pharmacia, American Cyanamid,

Eli Lilly, Merck, Novartis, Hoffmann-La

Roche, GlaxoSmithKline, …

• Ngay từ năm 1983 – 1985, khoảng 200

công ty nhỏ về CNSH đã được thành lập ở

Mỹ nhờ chính sách ưu đãi thuế Đến 1985, số công ty tăng đến hơn 400, mà chủ yếu nhằm vào công nghệ gen ; và thuật ngữ « gen » có ngay trong tên gọi của nhiều công ty nổi

tiếng như Genetech (từ 1980), Biogen,

Amgen, Calgene, Engenics, Genex và

Cangene.

• Tính đến 2002, ở Mỹ có hơn 1300 và toàn thế

giới có hơn 3000 công ty CNSH Một số công

ty đã bán lại cho các tập đoàn hoá dược

khổng lồ như năm 1991, 60% của Genentech đã bán cho Hoffmann-La Roche với giá 2,1 tỉ USD Không ít công ty bị phá sản Sự biến

động đó là đặc điểm của thị trường CNSH Năm 2000, tiền đầu tư đạt 33 tỉ USD.

• Đến năm 2000, hàng tá thuốc, sản phẩm của CN gen, đã được cấp giấy chứng nhận ; hơn 200 loại đang thử ở người và hơn 750

loại đang thực hiện Từ 1996, lần đầu tiên

doanh số protein tái tổ hợp erythroprotein

(chất kích thích tạo máu) vượt 1 tỉ USD/năm

Năm 2000, tiền bán các kháng thể đơn dòng

vượt 2 tỉ USD/năm Doanh thu của CN gen

tăng vọt từ 6 tỉ USD 1986 đến 25 tỉ năm 2000.

• Hơn thế nữa, một xu hướng phát triển

chung của nền kinh tế tri thức là sự tham gia trực tiếp của các nhà khoa học vào các công ty Hebert Boyer, một tác giả phát

minh ra kỹ thuật di truyền, là phó chủ tịch

công ty công nghệ gen đầu tiên Genentech

Theo gương ông có nhiều giáo sư, nhà khoa

học đã trực tiếp tham gia vào các công ty CNSH nhỏ

• Tạp chí bán nguyệt san Genetic

Engineering News mỗi năm có nêu

danh sách 100 triệu phú USD trong

lĩnh vực CN gen và thống kê số có

trình độ sau đại học trong đó (ít nhất là 96/100)

• Số liệu cho thấy hầu hết các triệu

phú CNSH có trình độ sau đại học

Điều này cho thấy trong lĩnh vực sản xuất hàng hóa, các triệu phú CNSH vừa là doanh nghiệp vừa là nhà khoa học có trình độ cao Đây là xu hướng phát triển chung của nền kinh tế tri thức, mà Bill Gates là một ví dụ