Giáo trình Nhập môn công nghệ sinh học - Bùi Hồng Quân

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCMVIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨMMôn học: Người phụ tráchThS. Bùi Hồng QuânNHẬP MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌCĐiện thoại : 09.09.25.24.19Email : buihongquan@hui.edu.vn cty.9gobi@gmail.com Food IndustryNATURAL SCIENCESENGINEERINGLEFE SCIENCESBiotechnologyAgricultureMedicineEcologyPharmacyCosmetology Nội dung môn học gồm: Chương 1: Mở đầu – Khái niệm về công nghệ sinh học Chương 2: Công nghệ vi sinh vật Chương 3: Công nghệ enzyme – protein Chương 3: Công nghệ tế bào Chương 5: Công nghệ gen Phương thức tiếp cận môn học Tài liệu tham khảoGIỚI THIỆU MÔN HỌCTài liệu tham khảoKiều Hữu Ảnh. 1999. Giáo trình vi sinh vật học công nghiệp. NXB KH &KT. Hà Nội. Phạm Thành Hổ. 2002. Di truyền học. NXB Giáo dục. TPHCM. Lê Đình Lương – Quyền Đình Thi. 2003. Kỹ thuật di truyền và ứng dụng. NXB ĐHQG Hà Nội. Trần Thị Thanh. 2000. Công nghệ vi sinh. NXB Giáo dục. TPHCM. Nguyễn Văn Uyển và Nguyễn Tiến Thắng. 1998. Những kiến thức cơ bản về Công nghệ sinh học - NXB Giáo dục. Tài liệu tham khảoAnimal Biotechnology: Science-based Concerns. 2002. The National Academies Press. Washington. The Application of Biotechnology to Industrial Sustainability. 2001. OECD (Organization for Economic co-operation and Development).M.J. Chrispeels & D.E. Sadava. 2003. Plants, Genes, and Crop Biotechnology. John and Bartlett Publishers. A.N. Glazer, H. Nikaido. 1995. Microbial Biotechnology: Fundamentals of Applied Microbiology. W.H. Freeman and Company. Tài liệu tham khảoB.R. Glick, J. J. Pasternak. 2004. Molecular biotechnology: principles and applications of recombinant DNA. ASM, Washington. S.M. Roberts, N.J. Turner, A.J. Willets, M.K. Turner. 1995. Introduction to Biocatalis using Enzymes and Micro-organisms. Cambridge University Press. C.A. Smith & E.J. Wood. 1991. Molecular Biology & Biotechnology. Chapman & Hall. H. Uhlig. 1998.Industrial Enzymes and their Applications. John Wiley & Sons, INC. Gr. Walsh. 2002. Proteins: Biochemistry and Biotechnology. John Wiley & Sons LTD. Lịch sử phát triển công nghệ sinh học Khái niệm công nghệ sinh học Các lĩnh vực công nghệ sinh học Hướng phát triển công nghệ sinh học thế kỷ 21CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Những khái niệm đầu tiên 1918 Sự phát triển công nghệ vi sinh Sự phát triển công nghệ enzyme – protein Sự phát triển công nghệ tế bào Sự phát triển công nghệ genLỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CNSHLỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CNSHLỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CNSH Khái niệm công nghệ sinh học (biotechnology) Những nguyên lý cơ bản trong sinh học Những ứng dụng nguyên lý sinh học vào sản xuất và đời sốngKHÁI NIỆM CNSH3. Sự phát triển công nghệ tế bào Công nghệ tế bào thực vật Công nghệ tế bào động vật4. Công nghệ gen Công nghệ di truyền cổ điển Công nghệ di truyền hiện đạiCÁC LĨNH VỰC CNSH Công nghệ vi sinh Công nghệ truyền thống Công nghệ hiện đại2. Công nghệ enzyme – protein Công nghệ enzyme Hướng phát triểnCNSH - NĂNG LƯỢNG TÁI SINH TỪ SINH KHỐIKhái niệm về năng lượng tái sinh từ sinh khốiVấn đề quang hợp – sinh tổng hợp các chất hữu cơHệ đơn bào tạo năng lượngKhí sinh học (biogas) Năng lượng tái sinh ngành nông nghiệp và lâm nghiệpPin sinh họcCNSH VỚI CN TP & SX HÓA CHẤTCN lên men CN Sản xuất các acid aminCN thủy phân protein  sản xuất nước chấmCN sản xuất các enzymCNSH trong chế biến tinh bộtCNSH Sản xuất các chất phụ gia thực phẩmCNSH TRONG CBTPCN sản xuất sữaSản xuất phomaChế biến tinh bộtSx nước uống lên men: Bia Rượu nhoRượu cồn (chưng cất) Sản phẩm chứa protein: Thực phẩm lên men truyền thống giàu protein: phoma, đậu phụ, nước mắm.. Protein vi khuẩn đơn bào SCP (SCP từ nguồn cacbonhydrate; từ tảo lam cố định đạm Cyanobacteria và vi tảo.. ) Sx các chất tăng hương vị thực phẩm: Chua (citric); các acid hữu cơ khác (acetic, propionic, itaconic, gluconic, fumaric) Amino acidVitamin và thực phẩm màuCNSH TRONG CBTPCNSH TRONG CBTPChất tăng vị ngọt thực phẩm (các nuleotide (chủ yếu chứa inosine và guanine) được sx ở quy mô CNKeo thực phẩm: làm tăng mùi vị, hình dạng và thẩm mỹ của thực phẩm, thường ở dạng polysaccharide, được tạo ra trong quá trình lên men Pseudomonas sp.. Chế biến rau quả: nâng cao chất lượng chế biến như muối chua, làm nước chấm từ đậu phụ, đậu tương; sx nước quả (giảm độ nhớt; làm trong nước quả.. Cắt các liên kết pectin.. ) CNSH TRONG SX HOÁ CHẤTVai trò xúc tác sinh học (enzyme) và quá trình, phản ứng hóa học do chúng xúc tác đã tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau. Do đó có thể nói CNSH và ngành hóa có quan hệ chặt chẽ với nhau và bổ sung cho nhau. VD: xúc tác sinh học ở giai đoạn phát triển; xúc tác ở giai đoạn kết thúc pt; xúc tác in vitro; xúc tác hóa học nhờ enzymeHiện nay CNSH là cơ sở cho nhiều quy trình công nghệ sx các sản phẩm hóa học như acetone, ethanol, butanol, isopropanol từ gỗ, dầu mỏ, than đá hoặc từ các nguyên liệu khác: sx glycerol từ tảo và các chất nhân thơm có giá trị với CN hóa chất hiện đại từ gỗ.CNSH hiện đại còn cung cấp nhiều chủng loại vs & enzyme cho phép thực hiện những biến đổi HH tinh vi trong sx các loại thuốc chữa bệnh có giá trị, các Steroid, các thuốc kháng sinh thế hệ mới, các chất thứ cấp có giá trị (terpene, alkaloid= con đường nuôi cấy tế bào thực vật)CNSH TRONG SX HOÁ CHẤTLên men sx dung môi hữu cơ: ethanol, glycerol, aceton, butanol: Dùng vi khuẩn Clostridium acetolbutylicum để lên men yếm khí môi trường chứa tinh bột để thu nhận aceton thay cho quá trình chưng cất gỗ trong công nghiệp trước đây. Sx acid hữu cơ: acetic (CNVS để biến đổi cellulose thành acetic acid hoặc tổng hợp nhờ Acetobacter và Clostridium.. ); lactic; citric . CNSH TRONG SX HOÁ CHẤTSx amino acid: về nguyên tắc có thể thủy phân protein= acid hoặc enzyme hoặc tổng hợp hóa học để tạo ra các đồng phân quang học của amino acid, lên men và tổng hợp nhờ các enzyme. Ngày nay người ta dùng VSV để lên men hoặc xúc tác enzyme. Corynerbacterium glutamicunmCNSH sx thuốc kháng sinh và thuốc steroid chủ yếu nhờ lên men = VSV. Các hướng N/c trong lĩnh vực này tập trung vào (mở rộng phổ hoạt động của thuốc; nâng cao hiệu lực thuốc kháng sinh; giảm độ độc và phản ứng phụ của thuốc đối với người; tạo các dạng thuốc chịu được sự phân giải của vi khuẩn, kéo dài thời gian bán hủy của chúng; hoàn thiện các các phương thức sử s\dụng thuốcCNSH TRONG SX HOÁ CHẤTCÁC PP SX THUỐC KHÁNG SINH: Lên men trực tiếp: bản chất của pp là bổ sung các tiền chất của kháng sinh hoặc các chất ức chế trao đổi chất vào môi trường lên men hướng chủng lên men tổng hợp chất kháng sinh và các đồng phân của nó vd: chủng Penicillium chrysogennum chuyên tổng hợp penicillin. Tạo kháng sinh bằng phương pháp “đột biến tổng hợp”: bản chất là sử dụng các dạng đột biến để dịnh hướng tổng hợp thuốc kháng sinh theo mong muốnCải biến thuốc kháng sinh nhờ VSV.. CNSH TRONG SX HOÁ CHẤTSử dụng tính năng và công dụng súc tác của các enzyme thương mại trong cong nghiệp hóa chất: ProteaseGlucose isomerase, Amylase và Amyloglucosidase, invertase.Lactase, Phytase, lipase Enzyme cố địnhCNSH trong sx hóa chất từ sinh khối (sx hóa chất từ tế bào TV (buộc các gene TV hoạt động trong tbào VK hoăc nuôi cấy các dòng TBTVchọn lọc nhằm tạo ra các chất thứ cấp quý hiếm; SX hóa chất từ sinh khối) CNSH TRONG SX HOÁ CHẤTCông nghệ sinh học ngày càng chiếm ưu thế trong nông nghiệp thế giớiTình trạng suy giảm đa dạng sinh học, hệ thống giống cây trồng – vật nuôi kém năng suất, môi trường sinh thái mất cân đối và những vụ ngộ độc thực phẩm liên tục gia tăng trong thời gian qua... khiến nhiều nước trên thế giới phải đau đầu nghiên cứu nhằm tìm ra hướng đi mới và bền vững cho nền nông nghiệp. Trên thực tế, việc ứng dụng công nghệ sinh học (CNSH) vào sản xuất đã và đang mang lại lới ích to lớn cho nhiều quốcCNSH trên thế giớiTheo nghiên cứu của Trung tâm Chính sách nông nghiệp và Thực phẩm quốc gia Hoa Kỳ (NCFAP), so với cây trồng thông thường, các loại cây trồng CNSH giúp làm tăng sản lượng lương thực lên 6,6 tỷ pound (1 pound = 0, 454kg). Diện tích trồng cây trồng CNSH tại Mỹ hiện là 47,6 triệu ha, tăng 11% so với năm 2003 và chiếm 59% tổng diện tích cây trồng CNSH toàn cầu, nhờ đó doanh thu cũng tăng lên 2,3 tỷ USD. Tài liệu nghiên cứu còn cho thấy, ứng dụng CNSH trong nông nghiệp có thể làm giảm tới 34% lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ. Hiện nay, Mỹ có tới 1300 công ty CNSH với doanh thu hàng năm đạt khoảng 12,7 tỷ USD. CNSH TRÊN THẾ GIỚITại Israel: Điều đáng chú ý là, nhờ có CNSH nên việc đưa phân bón, nhất là những thành phần kém hoạt động như phân lân thông qua hệ thống tưới nhỏ giọt chôn dưới lòng đất cũng dễ dàng hơn. Phân bón được bọc trong túi nhựa polime để bảo đảm phân ngấm chậm và truyền dẫn thông qua quá trình khuếch tán, cho phép khai thác phân bón tốt hơn và giảm ô nhiễm nước ngầm. Ưu điểm nổi trội của hệ thống tưới nhỏ giọt trong nhà kính và ngoài trời của Israel là nước nhỏ giọt vào đúng rễ cây, có thể tưới kèm phân bón, tiết kiệm được 30 - 60% lượng nước và phân bón. CNSH TRÊN THẾ GIỚIMặc dù đã đi sau rất nhiều nước, kể cả một số nước trong khu vực ASEAN nhưng đến nay, công nghệ sinh học (CNSH) của Việt Nam vẫn chưa được các ban ngành quan tâm và đánh giá đúng vai trò trong sự nghiệp phát triển kinh tế nông nghiệp. Chính vì vậy, công tác nghiên cứu và ứng dụng CNSH vào thực tế sản xuất đang bỏ ngỏ. CNSH Ở VIỆT NAMThành phố đang được coi là nơi ứng dụng CNSH mạnh nhất, CNSH chưa được các cấp, ngành thực sự quan tâm một cách đầy đủ, luẩn quẩn và còn rất mơ hồ. Tuy nhiên, cũng phải thừa nhận, số lượng đề tài nghiên cứu về CNSH ở TP. Hồ Chí Minh khá nhiều nhưng việc đưa vào ứng dụng trong sản xuất rất khó do giá thành cao, công nghệ phức tạp”. CNSH ở Tp. Hồ Chí Minh Phát triển thực phẩm cho loài người Bảo vệ môi trường sống Bảo vệ sức khoẻ loài ngườiHƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THẾ KỶ 21Triển vọng của CNSH trong CNHC càng ngày vai trò của CNSH trong ngành Hóa chất càng được chú trọng khai thác. Khai thác tối đa các phản ứng có hệ xúc tác sinh học (phản ứng oxy khử trực tiếp trong đó quan trọng là gắn oxy trực tiếp vào cơ chất như biến đối alkane thành rượu.. ) Dùng enzyme xúc tác cho các phản ứng hóa học phi truyền thống (oxy hóa cơ chất hữu cơ thông qua enzyme glucose oxIdase.. ) HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THẾ KỶ 21Công nghệ protein (cải biến protein tự nhiên bằng các phản ứng hóa học, hoặc công nghệ gene nhằm thay đổi hoặc nâng cao hoạt tính của proteinỨng dụng enzyme trong hệ khan nước.. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THẾ KỶ 21 Khái niệm vi sinh vật Khái niệm quá trình lên men Ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất các sản phẩm lên men truyền thống Ứng dụng vi sinh vật trong lên men hiện đạiChương 2: CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT Khái niệm chung Sự phát triển vi sinh vật học Phân loại Đặc tính sinh lý, sinh hoá vi sinh vật Vi sinh vật có lợi, có hại Những hướng ứng dụngKHÁI NIỆM VỀ VI SINH VẬT Khái niệm quá trình lên men Lên men hiếu khí Lên men yếm khí Ứng dụng các kiểu lên men trong sản xuất, đời sốngKHÁI NIỆM QUÁ TRÌNH LÊN MEN Khái niệm lên men truyền thống Các sản phẩm lên men truyền thống từ nguồn thực vật Trên thế giới Ở Việt Nam3. Các sản phẩm lên men truyền thống từ nguồn động vật Trên thế giới Ở Việt Nam4. Hướng phát triển công nghệ truyền thống sang công nghệ sản xuất công nghiệpỨNG DỤNG LÊN MEN VI SINH VẬT TRONG SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN TRUYỀN THỐNG Nguyên lý lên men hiện đại Các sản phẩm lên men hiện đại Sản xuất sinh khối Sản xuất cồn và các sản phẩm chứa cồn Sản xuất axít hữu cơ Sản xuất kháng sinh Sản xuất vacineỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG LÊN MEN HIỆN ĐẠI Khái niệm về enzym Nguồn khai thác enzym Công nghệ sản xuất enzym Ứng dụng enzym vào đời sống và sản xuất Protein tái tổ hợpChương 3: CÔNG NGHỆ ENZYM VÀ PROTEIN Bản chất sinh học của enzym Bản chất hoá học của enzym Cơ chế tác dụng của enzym Tính chất xúc tác của enzym Phương pháp đánh giá chất lượng enzymKHÁI NIỆM VỀ ENZYM Nguồn khai thác từ thực vật Fisine ▪ Bromelin ▪ Papain ▪ Amylase2. Nguồn khai thác từ động vật Protein trypsin ▪ Chimotrypsin ▪ Các enzym khác Nguồn khai thác từ vi sinh vật Ưu điểm từ nguồn vi sinh vật Sinh tổng hợp enzym ở vi sinh vật Các loại enzym khai thác từ vi sinh vật (protease, amylase, pectinase, glucoamylase, lipase và những enzym khác) NGUỒN KHAI THÁC ENZYMSản xuất Bromelin từ chồi ngọn dứa nhà máy đồ hộp Tân BìnhPhế liệuSản phẩm có giá trị Sản xuất enzym dạng thô Sản xuất enzym từ thực vật Sản xuất enzym từ động vật Sản xuất enzym từ vi sinh vật2. Sản xuất enzym dạng tinh khiết Quá trình làm sạch Quá trình tinh chếCÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ENZYM Ứng dụng enzym trong công nghệ thực phẩm Ứng dụng enzym trong y học Ứng dụng enzym trong nông nghiệp Ứng dụng enzym trong bảo vệ môi trườngỨNG DỤNG ENZYM Khái niệm protein tái tổ hợp Vai trò protein tái tổ hợp trong thực phẩm và trong y học Kỹ thuật sản xuất protein tái tổ hợpPROTEIN TÁI TỔ HỢP Khái niệm về nuôi cấy tế bào Lịch sử phát triển của công nghệ tế bào Công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật Công nghệ nuôi cấy tế bào động vậtChương 4:  CÔNG NGHỆ TẾ BÀO Khái niệm về tế bào Cấu tạo tế bào Các quá trình sinh học tế bào Ý nghĩa các quá trình sinh học tế bào trong đời sống sản xuất KHÁI NIỆM VỀ NUÔI CẤY TẾ BÀO Những nghiên cứu cơ bản Những nghiên cứu ứng dụng Lịch sử phát triển công nghệLỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ TẾ BÀO Ý nghĩa khoa học và thực tế của công nghệ tế bào thực vật Kỹ thuật nuôi cấy tế bào đơn Kỹ thuật nuôi cấy mô Kỹ thuật nuôi cấy tế bào thu sản phẩm bậc 2 CÔNG NGHỆ NUÔI CẤY TẾ BÀO THỰC VẬT Những vấn đề đạo đức, khoa học nuôi cấy tế bào động vật Kỹ thuật nuôi cấy tế bào động vật thu nhận sản phẩm bậc 2 Kỹ thuật nuôi cấy tế bào động vật thu nhận sản phẩm bậc 1Kỹ thuật sinh sản vô tínhCÔNG NGHỆ NUÔI CẤY TẾ BÀO ĐỘNG VẬT Khái niệm về gen Thuyết di truyền trung tâm Thuyết di truyền cổ điển Thuyết di truyền hiện đại Những vấn đề về đạo đức và khoa học về công nghệ genChương 5: Công nghệ gen Cấu tạo ADN Cấu tạo ARN Tính chất sinh học gen Vai trò của genKHÁI NIỆM VỀ GEN Lịch sử nghiên cứu Quá trình tái tạo ADN Quá trình sao chép Quá trình chuyển tin Quá trình tổng hợp Những sai biệt trong thuyết di truyền trung tâmTHUYẾT DI TRUYỀN TRUNG TÂM Lịch sử phát triển Kỹ thuật lai, ghép Kỹ thuật gây đột biếnKỸ THUẬT DI TRUYỀN CỔ ĐIỂN Lịch sử phát triển Những ưu điểm của di truyền hiện đại Kỹ thuật tạo dòng Những sai biệt trong kỹ thuật tạo dòngKỸ THUẬT DI TRUYỀN HIỆN ĐẠIMục tiêu: cải thiện những đặc tính di truyền của svTạo đột biến và phân lập chủngTạo giống bằng phương pháp lai ghép tế bàoCải biến di truyền trong điều kiện in vivo  plasma. Lai ghép tế bào trần – protoplast thực vật. Lai ghép tế bào động vật. KỸ THUẬT DI TRUYỀN HIỆN ĐẠICuộc cách mạng xanh. - cải tạo giống cây trồngVấn đề cố định đạm (N) Sản xuất năng lượng trong nông nghiệp. Trồng cây trong dinh dưỡng (Phương pháp canh tác mới) CNSH trong lĩnh vực BVTV CNSH trong ngành chăn nuôi: nc cải tiến các công nghệ sinh sản, đặc biệt là công nghệ tế bào động vật trong đông lạnh tinh, phôi và cấy chuyển hợp tử, thụ tinh ống nghiệm; áp dụng phương pháp chỉ thị phân tử, cong nghệ chuyển gen trong chọn tạo các giống vật nuôi mới có năng suất cao, chất lượng cao; Ứng dụng công nghệ gen trong xác định giới tính phôi một số loại gia súc quan trọng; nn/c và nâng cao năng lực sản xuất, bảo đảm đủ số lượng các loại văc-xin phong chông các dịch bênh gia suc, gia cầm.CNSH trong sản xuất phân bón vi sinh.CÔNG NGHỆ SINH HỌC NÔNG NGHIỆPN/C phát triển & ứng dụng cnsh để tạo ra các công nghệ và sản phẩm thân thiện với môi trường, sx nhiên liệu sinh học (khí sh, xăng sh, diezen sh.. ) phục vụ mục tiêu sản xuất sạch hơn và đảm bảo an ninh năng lượng N/C phát triển và ứng dụng cnsh để xử lý các chất thải ô nhiễm và phục hồi các hệ sinh thái tự nhiên, bảo vệ môi trường N/C pt & ud cnsh để lưu giữ và bảo tồn, sử dụng hợp lý tài nguyên, đa dạng sinh học đất đai, nước, không khí vì mục tiêu phát triển bền vữngCNSH VỚI MÔI TRƯỜNGSản xuất các sản phẩm y học bằng tế bào cải biến. Sản xuất thuốc kháng sinh, vitamin, a amin, protein bằng công nghệ lên men và vi sinh tái tổ hợp. N/c và sx các loại vắc-xin thế hệ mới (vắc –xin tế bào, vắc –xin tái tổ hợp, vắc –xin AND) để đảm bảo cung ứng 80-90%nhu cầu trong nước và một phần cho xuất khẩuSản xuất thuốc nhờ công nghệ sử dụng DNA tái tổ hợp. N/C các chất có hoạt tính sinh học từ đv, thực vật, vsv để sản xuất ở quy mô công nghiệp các loại thuốc, mỹ phẩm, và thực phẩm chức năng N/C và ứng dụng công nghệ tế bào trong bảo tồn và phát triển các nguồn dược liệu quý hiếm. CÔNG NGHỆ SINH HỌC VỚI Y HỌC Khái niệm về cơ thể biến đổi gen Khái niệm về thực phẩm biến đổi gen Khái niệm về an toàn công nghệ gen Luật công nghệ sinh họcNHỮNG VẤN ĐỀ ĐẠO ĐỨC VÀ KHOA HỌC TRONG CÔNG NGHỆ GEN