Bài giảng Nhập môn CÔNG NGHỆ SINH HỌC

1. MỤC TIÊU VÀ YÊU CẦU Môn học trang bị cho sinh viên ngành Công nghệ Sinh học Nông nghiệp những khái niệm cơ bản, sơ lược lịch sử và xu thế phát triển của Công nghệ sinh học. Đồng thời cung cấp những đặc điểm và những ứng dụng của Công nghệ sinh học trong Nông nghiệp, Công nghiệp, Y – Dược và trong Bảo vệ môi trường. Nhập môn Công nghệ Sinh học là môn học cơ sở cung cấp hệ thống kiến thức giúp sinh viên học tập tốt các môn học chuyên ngành như: Công nghệ Lên men, Công nghệ Sinh học thực vật, Công nghệ Sinh học động vật, Công nghệ Di truyền, Công nghệ Enzyme – Protein. 5. NỘI DUNG Chương 1. Khái niệm, lịch sử phát triển của CNSH Chương 2. Kỹ thuật di truyền Chương 3. Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ sinh học động vật

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

1 MỤC TIÊU VÀ YÊU CẦU

Môn học trang bị cho sinh viên ngành Công nghệ Sinh học Nông nghiệp những khái niệm cơ bản, sơ lược lịch sử và

xu thế phát triển của Công nghệ sinh học Đồng thời cung cấp những đặc điểm và những ứng dụng của Công nghệ sinh học trong Nông nghiệp, Công nghiệp, Y – Dược và trong Bảo vệ môi trường

Nhập môn Công nghệ Sinh học là môn học cơ sở cung cấp hệ thống kiến thức giúp sinh viên học tập tốt các môn học

chuyên ngành như: Công nghệ Lên men, Công nghệ Sinh học

thực vật, Công nghệ Sinh học động vật, Công nghệ Di truyền,

2 SỐ ĐƠN VỊ HỌC TRÌNH

1 TC (18 tiết lý thuyết)

3 CÁC MÔN HỌC TIÊN QUYẾT

Sinh học Đại cương, Di truyền học, Hóa sinh học, Vi sinh vật học, Sinh học phân tử

4 GIÁO TRÌNH, TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Phạm Thành Hổ (2005) Nhập môn Công nghệ Sinh học, Nhà

xuất bản Giáo dục, Thành phố Hồ Chí Minh.

2 Lê Đình Lương (2002) Nguyên lý kỹ thuật di truyền, Nhà xuất

bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội

3 Ngô Xuân Bình, Bùi Bảo Hoàn, Nguyễn Thúy Hà (2003) Công

nghệ sinh học, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội.

4 Kiều Hữu Ảnh (1999) Vi sinh vật học công nghiệp, Nhà xuất bản

Khoa học kỹ thuật, Hà Nội

5 Trịnh Đình Đạt (2006) Công nghệ di truyền, Nhà xuất bản Giáo

dục, Hà Nội.

6 Vũ Văn Vụ, Lê Hồng Điệp, Nguyễn Mộng Hùng (2006) Công

nghệ tế bào, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.

7 Phạm Thị Trân Châu, Phan Tuấn Nghĩa (2006) Công nghệ sinh

học enzym - protein, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.

8 Trịnh ThịThanh (2000) Công nghệ vi sinh, Nhà xuất bản Giáo

GIÁO TRÌNH, TÀI LIỆU THAM KHẢO

5 NỘI DUNG

Chương 1 Khái niệm, lịch sử phát triển của CNSHChương 2 Kỹ thuật di truyền

Chương 3 Công nghệ sinh học thực vật

Chương 4 Công nghệ sinh học động vật

CHƯƠNG 1

KHÁI NIỆM VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NỘI DUNG

1 Khái niệm Công nghệ sinh học

2 Phân loại Công nghệ sinh học

3 Các ứng dụng của Công nghệ sinh học

1 KHÁI NIỆM

Thuật ngữ Công nghệ sinh học (Biotechnology) được Karl Ereky (Hungary) nêu ra vào năm 1917, để mô tả quá

trình chăn nuôi lợn với quy mô lớn bằng củ cải đường lên

men Theo K Ereky, CNSH là: “toàn bộ dây chuyền sản xuất,

nhờ đó các sản phẩm được tạo ra từ vật liệu thô nhờ các sinh vật sống”

Năm 1961, C.H.Heden (Thụy Điển) đề nghị đổi tên tạp chí Microbiology and Biochemical Engineering and

Technology thành tạp chí Biotechnology and Bioengineering

để đăng tải các công trình trong lĩnh vực vi sinh ứng dụng và lên men công nghiệp Các nghiên cứu về CNSH đã được

phát triển dựa trên các lĩnh vực như vi sinh, hóa sinh và công nghệ hóa học

Thuật ngữ CNSH (Biotechnology) được hiểu theo nhiều định nghĩa, khái niệm khác nhau CNSH có thể hiểu theo hai nghĩa rộng và hẹp

Theo nghĩa rộng, CNSH bao gồm cả những ứng dụng lâu đời như lên men rượu, bia, là giấm, sữa chua, và cả các kỹ thuật hiện đại ngày nay Theo nghĩa này, CNSH có từ hàng ngàn năm

Theo nghĩa hẹp, CNSH chỉ liên quan đến những lỹ thuật hiện đại ngày nay như kỹ thuật di truyền và các kỹ

thuật hiện đại khác Theo nghĩa này, CNSH được tính từ

năm 1970

CNSH là công nghệ sử dụng các cơ thể sống hoặc các phần của cơ thể như tế bào để tạo ra hoặc thay đổi các sản phẩm nhằm cải tiến cây trồng, vật nuôi hoặc phát triển các vi sinh vật vào các ứng dụng đặc biệt (W.H.Stone, 1987)

CNSH là công nghệ sử dụng một bộ phận hay tế bào riêng rẽ của cơ thể sinh vật vào việc khai thác các sản phẩm của chúng (UNESCO, 1985)

CNSH là công nghệ chuyển một hay nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản phẩm và chức

năng của gen đó (ĐH Stanford, Hoa Kỳ, 1995)

CNSH là việc ứng dụng các nguyên lý khoa học kỹ thuật để biến đổi vật chất bằng các tác nhân sinh học nhằm cung cấp sản phẩm và ứng dụng (OECD)

CNSH là ứng dụng tổng hợp của sinh hóa học, vi sinh vật học và các khoa học về công nghệ để đạt tới sự ứng dụng công nghiệp các năng lực của vi sinh vật, của các tế bào, các

tổ chức nuôi cấy và các thành phần của chúng (Liên đoàn

CNSH châu Âu)

Công nghệ sinh học là tập hợp các ngành khoa học (Sinh học phân tử, Di truyền học, Vi sinh vật học, Sinh hoá

học và Công nghệ học) nhằm tạo ra các công nghệ khai thác

ở qui mô công nghiệp các hoạt động sống của vi sinh vật tế bào thực vật và động vật (NQ 18 CP/1994 về phát triển

CNSH ở VN)

Như vậy có thể tổng quát hóa khái niệm về CNSH như sau: CNSH là các 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, dưới tế bào) dựa trên những thành tựu tổng hợp của nhiều ngành, nhiều bộ môn khoa học, nhằm phục

vụ việc tăng sản phẩm vật chất cho xã hội và bảo vệ lợi ích cho con người

Theo quan điểm hiện đại, các tác nhân sinh học tham gia vào quá trình trên là những giống vi sinh vật mới hoặc các sản phẩm của chúng được tạo ra nhờ kỹ thuật di truyền hiện đại (công nghệ gen)

Hoặc có thể hiểu đơn giản CNSH là công nghệ sử dụng các quá trình sinh học của các tế bào sinh vật tạo ra các sản phẩm phục vụ con người

Từ định nghĩa trên có thể thấy:

- CNSH không phải là một bộ môn khoa học thuần thúy mà là một phạm trù sản xuất

- CNSH không chỉ tạo thêm ra của cải vật chất mà còn hướng vào việc bảo vệ và nâng coa chất lượng cuộc sống con người

- Công nghệ gen được coi là chìa khóa của CNSH

- CNSH có tính ứng dụng cao, tuy nhiên hàng loạt những kỹ thuật của CNSH đã, đang và sẽ là những công cụ sắc bén trong nghiên cứu cơ bản

CNSH dựa trên thành tựu của nhiều ngành khoa học khác nhau, chủ yếu bao gồm sinh học phân tử, tế bào học, hóa sinh học, di truyền học, vi sinh vật học, miễn dịch học, công nghệ học

Bản chất đa ngành của Công nghệ sinh học

Xuất phát từ thực tiễn lịch sử, người ta phân biệt CNSH làm hai loại:

CNSH truyền thống (Traditional Biotechnology): khai thác các nguyên lý và quá trình sinh học dựa trên những hiểu biết sơ đẳng và kinh nghiệm thực tiễn của loài người

VD: lên men rượu, bia, làm bánh mỳ, dấm,…

CNSH hiện đại (Modern Biotechnology) là quá trình nghiên cứu, khai thác các nguyên lý sinh học dựa trên các kiến thức khoa học tiên tiến và những phương pháp nghiên cứu hiện đại

VD: Nghiên cứu hệ gen, hệ protein, sinh vật biến đổi gen,

2 PHÂN LOẠI

Theo đối tượng nghiên cứu CNSH được chia thành các

nhóm sau:

Công nghệ gen (gene technology ) hay kỹ thuật di

truyền (genetic technology)

Công nghệ sinh học vi sinh vật (Microbial

Biotechnology )

Công nghệ sinh học thực vật (Plant Biotechnology)Công nghệ sinh học động vật (Animal Biotechnology)Công nghệ sinh học enzyme – protein (Enzyme

Biotechnology)

Theo đối tượng phục vụ, CNSH được chia thành các nhóm sau:

CNSH Nông nghiệp (trồng trọt và chăn nuôi) CNSH trong Y – Dược

CNSH trong Công nghiệp (thực phẩm, hóa chất, năng lượng)

CNSH môi trường

- Bảo tồn nguồn gen

- Cứu phôi trong các kỹ thuật lai xa, đa bội thể

- Công nghệ đơn bội tạo các dòng thuần

- Gây đột biến tế bào soma trong chọn tạo giống

- Thực vật chuyển gen

- Chọn giống phân tử

Công nghệ sinh học động vật

- Công nghệ sinh học sinh sản: Thụ tinh nhân tạo, thụ

tinh in vitro, cấy truyền phôi

- Liệu pháp hormon gây rụng trứng nhiều

- Động vật chuyển gen mang các đặc tính quý: cho sữa, thịt nhiều, sản xuất một số biệt dược

- Các chế phẩm sinh học trong chăn nuôi: vacxin, kháng sinh, thức ăn chăn nuôi

3.2 Công nghệ sinh học Y – Dược

- Các loại kháng sinh, chất diệt khuẩn, các loại vitamin, chất bổ dưỡng

- Các biện pháp, kỹ thuật chẩn đoán phân tử: PCR, kháng thể đơn dòng, lai phân tử

- Các loại vacxin trong phòng bệnh truyền nhiễm

- Các loại sinh dược có giá trị như insulin, interferon, hormon

- Liệu pháp gen

- Y học tái sinh

3.3 Công nghệ sinh học trong công nghiệp

- Công nghiệp hóa chất: sản xuất các enzyme, hóa chất thông dụng, chất xúc tác sinh học

- Công nghiệp thực phẩm: sản xuất rượu, bia, sữa,

- Công nghiệp năng lượng: nhiên liệu sinh học

- Công nghiệp khai khoáng: Dùng vi sinh vật để tuyển khoáng sản quý như đồng, kẽm, coban

3.4 Công nghệ sinh học trong bảo vệ môi trường

- Công nghệ phân hủy sinh học

- Chỉ thị sinh học trong công tác quản lý môi trường

4 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

CNSH đã có lịch sử từ lâu đời, có thể chia thành 3 giai đoạn như sau:

Giai đoạn từ trước 1900:

Từ thời xa xưa, con người đã biết sử dụng các loài vi sinh vật để chế biến và bảo quản thực phẩm như lên men rượu, sản xuất giấm ăn CNSH ở mức thô sơ mang tính kinh nghiệm, sản xuất với trình độ thủ công và với quy mô nhỏ

Giai đoạn từ 1900 – 1970:

- Hiểu biết về sinh lý, sinh hóa, di truyền của sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật và đã áp dụng vào sản xuất

- Công nghệ lên men phát triển sản xuất cồn, axeton

- Công nghệ sản xuất kháng sinh, vitamin, enzymeHai gia đoạn này có thể được xếp vào công nghệ sinh học truyền thống

Giai đoạn từ 1970 trở lại đây

- Công nghệ sinh học hiện đại ra đời, nền tảng là công nghệ ADN tái tổ hợp

- Công nghệ sinh học hiện đại đã phát triển nhanh chóng và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y học, công nghiệp

CNSH được coi là ngành khoa học của thể kỷ 21

CÁC MỐC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

8000-4000 B.C.E.

CÁC MỐC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1797, Edward Jenner (Anh) chế tạo

vaccin đầu tiên phòng

bệnh

CÁC MỐC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1830 - 1833

1830 protein được phát hiện

CÁC MỐC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1859, Darwin (Anh) công bố học thuyết tiến hóa bằng chọn lọc tự nhiên

CÁC MỐC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1865, G Mendel (CH Séc)

công bố các định luật di

truyền

CÁC MỐC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1915 phát hiện thể

ăn khuẩn - phage

Thuật ngữ Công nghệ sinh học (Biotechnology) được Karl Ereky (Hungary) nêu ra vào năm 1917, để mô tả quá

trình chăn nuôi lợn với quy mô lớn bằng củ cải đường lên

men Theo K Ereky, CNSH là: “toàn bộ dây chuyền sản xuất,

nhờ đó các sản phẩm được tạo ra từ vật liệu thô nhờ các sinh vật sống”

CÁC MỐC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1917

1928 Alexander Fleming phát hiện ra kháng

sinh pennicilin

Ông được giải Nobel năm 1945 cùng với

Ernst Boris Chain và Sir Howard Walter

Florey

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1943 Pennicilin được sản xuất ở quy mô công nghiệp

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1944 Oswald Avery, Colin MacLeod

Maclyn McCarty chứng minh ADN là

vật chất di truyền

Lu ận thuyết ( lý thuyết thuyết ) trung t â m củ a Sinh Sinh h ọ c ph â n t ử

The Central Dogma of Molecular Biology

RNA

DNA

• Do Francis Crick đề xuấtnă m 1958 đểmô

tả dòng thông tin di truyền trong tếbào

• Thông tin di truyền chứa đựng trong DNA

đ ợ c chuyển tải đến

RNA và từ RNA đến

protein

• Qua hơn 4 thập kỷ phá ttriển của Sinh học phân tử, luận

DNA

DNA

RNA

Virus RNA

Lu ận thuyết ( lý thuyết thuyết ) trung t â m củ a Sinh Sinh h ọ c ph â n t ử

The Central Dogma of Molecular Biology

RNA

DNA

• Do Francis Crick đề xuấtnă m 1958 đểmô

tả dòng thông tin di truyền trong tếbào

• Thông tin di truyền chứa đựng trong DNA

đ ợ c chuyển tải đến

RNA và từ RNA đến

protein

• Qua hơn 4 thập kỷ phá ttriển của Sinh học phân tử, luận

DNA

DNA

RNA

Virus RNA

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1970, Herb Boyer, phát hiện

ra enzym giới hạn

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

Năm 1972: CÔNG NGHỆ DNA TÁI TỔ HỢP ra đời Nhà sinh hóa tại Stanford, Paul Berg, đã nối hai đoạn DNA đầu bằng cắt từ virus SV 40 và vi khuẩn E coli lại với nhau, tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp Berg đã được nhận giải

Nobel Hóa học vào năm 1980 cùng với Walter Gilbert và Fred Sanger

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1973 Stanley Cohen and Herbert Boyer phát triển kỹ thuật ADN tái tổ hợp

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

Năm 1975, Hội nghị Asilomar: Paul Berg đã tổ chức hội nghị quốc tế về kỹ thuật DNA tái tổ hợp với hơn 100 nhà khoa học khác để thảo luận về những gì đã biết (cũng như chưa biết)

về DNA tái tổ hợp và đề ra một số nguyên tắc chỉ đạo giúp các nhà khoa học tránh được những nguy cơ không đáng có Các nhà khoa học đã đồng ý tạm dừng nghiên cứu liên quan đến

các kỹ thuật DNA tái tổ hợp cho đến khi xác định được các nguy

cơ tiềm ẩn Mặc dù kỹ thuật DNA tái tổ hợp đã tạo ra nhiều sản phẩm vô hại hơn cả sự mong đợi, nhưng Asilomar vẫn giữ

nguyên quan điểm khoa học quan trọng của mình

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

Năm 1975, TRÌNH TỰ DNA ĐƯỢC BẮT ĐẦU GIẢI MÃ Walter

Gilberg và Allan Maxam (Đại học

Harvard) và Fred Sanger (Đại học

Cambridge) đồng thời đưa ra hai

kỹ thuật nhằm xác định trình tự

chính xác của các base của một

gen Gilberg và Sanger (cùng với

Paul Berg) đã chung nhau nhận

giải thưởng Nobel vào năm 1980

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

Năm 1975, Cesar Milstein, Georges Kohler và Niels Jeme đã phát triển kỹ thuật kháng thể đơn dòng bằng cách dung hợp các tế bào khối u bất tử với các tế bào lympho B sinh kháng thể để tạo ra “các thể dung hợp (hybridomas)” vẫn tiếp tục tổng hợp được các kháng thể đã biết đó (các kháng thể đơn dòng) Milstein, Kohler và Jeme đã được

nhận giải Nobel Y học vào năm 1984

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

Năm 1976, NHỮNG BƯỚC ĐỘT PHÁ CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC Nhờ các kỹ thuật sinh học phân

tử, các tế bào được sử dụng như các nhà máy

nhằm sản xuất các hormone và protein với quy mô công nghiệp Các sản phẩm này chính là các “dược phẩm sinh học” có tiềm năng thương mại rất lớn Robert Swanson – một nhà đầu tư táo bạo ở thung lũng Silicon, và Herb Boyer đã cùng nhau thành lập hãng Genetech, Inc với mục tiêu tách dòng insulin của người Genetech được đưa lên sàn giao dịch vào ngày 14/10/1980, bán ra tới 1 triệu cổ phiếu với mệnh giá 35 $/cổ phiếu- và thu tới 35 triệu $ chỉ

trong một buổi chiều Tới cuối phiên giao dịch, cổ

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1978 Insulin của người được các nhà khoa học của Genetech nhân tách dòng vào E coli Genetech sau đó đã chuyển giao công nghệ sản xuất insulin cho Eli Lilly Năm

1982, insulin người, hay Humulin, trở thành loại thuốc DNA tái tổ hợp đầu tiên được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm của Hoa Kỳ (FDA) cấp phép

Năm 1985, Genetech trở thành công ty CNSH đầu tiên đưa ra sản phẩm sinh dược của riêng mình, ProTropin – hormone sinh trưởng dành cho trẻ bị thiếu loại

hormone này

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

Năm 1981 động vật chuyển gen đầu tiên ra đời Chuyển gen từ động vật khác vào chuột

Cấp paten đầu tiên cho một loại vi sinh vật phân giải dầu thô

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1984 Kary Mullis đề xuất kỹ thuật PCR

Giải thưởng Nobel 1993

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

Năm 1990 Dự án hệ gen người chính thức bắt đầu

Lúc đầu do J.Watson làm giám đốc sau đó Colin làm giám

đốc (04/1993)

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1997 Động vật nhân bản đầu tiên ra đời – Cừu Dolly

Dolly (1996-2003) as an adult Dolly and her surrogate mother

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1998 (tháng 5): Cuộc đua tiến tới Hệ gen Người: Craig Venter và Perkin Elmer đã liên kết với nhau thành lập Celera Genomics

BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1999 (Tháng 9): Vấn đề tiến độ

Celera tuyên bố hoàn thành trình tự gen ruồi giấm Drosophila vào 9/9, và ngay lập tức bắt tay vào giải trình tự hệ gen người Các nhà phân tích đã dự đoán

a) trình tự đầy đủ không thể giải ra được, và

b) Celera sẽ không công bố trình tự

ra ngoài, cuối cùng thì không dự đoán nào

đúng