Bài giảng Nhập môn công nghệ sinh học

Bài giảng Nhập môn công nghệ sinh học

3 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH

CNSH

1 Trước chiến tranh thế giới thứ 2

2 Sau chiến tranh thế giới thứ 2

4

Chương 2: NHỮNG LĨNH VỰC TÁC ĐỘNG

CHỦ YẾU CỦA CNSH HIỆN NAY

Hình 7.7 Cây ứng dụng công nghệ sinh học theo MITI

( TRANG SAU )

giảm chi phí chế tạo

sản xuất lương thực, thực phẩm bằng enzim

Công nghiệp hóa chất Lên men Công nghiệp

dược phẩm

Công nghiệp điện và điện tử

Công nghiệp thực phẩm

Môi trường Nông nghiệp

Công nghiệp mỏ

Chăn nuôi

Công nghiệp tài nguyên năng lượng

Công nghiệp đánh bắt thuỷ sản

Công nghệ sinh học Các chất sinh vật có thể khai thác được CÂY CNSH

Tạo giống cây trồng bằng CNSH 11

kiến tạo phần mền vi tính cho các quá trình sản xuất bằng CNSH 23

Công nghệ sản xuất vácxin, vitamin 10

chế tạo , vận hành thiết bị CNSH 22

Công nghệ sản xuất kháng sinh 9

Năng lượng sinh học 21

Quá trình thiết bị CNSH 8

kỹ thuật khai thác kim loại quý bằng CNSH

20 Công nghệ di truyền và kỹ thuật gen 7

điều khiển học trong sinh học 19

Sinh học tế bào 6

Công nghệ sản xuất các loại axit hữu cơ va dung môi bằng sinh học 18

Sinh lý động -thực vật 5

Công nghệ sản xuất các chất giàu dinh dưỡng

17 Sinh học phân tử

4

xử lý chất thải lỏng bằng công nghệ sinh học

16 Công nghệ vi sinh

3

xử lý chất thải rắnbằng công nghệ sinh học

15 Công nghệ enzim

Chuyên nghành CNSH STT

1.CNSH VỚI VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG TÁI

SINH TỪ SINH KHỐI

1.Khái niệm về năng lượng tái sinh từ sinh

2 CN Sản xuất các acid amin

3 CN thủy phân protein  sản xuất nước

+ Thực phẩm lên men truyền thống giàu

protein:phoma , đậu phụ, nước mắm

+ Protein vi khuẩn đơn bào SPC (SPC từ

nguồn cacbonhydrate; từ tảo lam cố định

đạm cyanobacteria và vi tảo )

5/ Sx các chất tăng hương vị thực phẩm :

+ủ chua ( citric axit ); các axit hữu cơ khác (

acetic , propionic ,itaconic,gluconic,fumaric )

+Amino axit

+vitamin và thực phẩm màu

+ Chất tăng vị ngọt thực phẩm(các

nuleotide(chủ yếu chứa inosine và

guanine)được sx ở quy mô CN

+ keo thực phẩm: làm tăng mùi vị , hình dạng

và thẩm mỹ của thực phẩm , thường ở dạng

polysaccaride, được tạo ra trong quá trình

lên men psodomonas sp

-6/ 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

)

12

B/ CNSH trong sản xuất hóa chất :

-vai 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 ( TL- bảng

3.4-trang 57 ):

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 enzyme

- Hiện nay CNSH dã là cơ sở cho nhiều quy trình

công nghệ sán xuất các sản phẩm hóa học như

axetone, ethanolbutanol, butadiol , isopropanol từ

gỗ , dầu mỏ ,than đá Hoặc từ các nguyên liệu

khác VD 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

14

SAU ĐÂY LÀ MỘT SỐ VD CỤ THỂ CỦA CNSH

TRONG NGÀNH HÓA CHẤT :

1/ Lên men sx dung môi hữu cơ:ethanol,

glycerol, acetol, butanol VD: Dùng vi khuẩn

clostridium acetolbutylicum để lên men yếm

khí môi trường chứa tinh bột để thu nhận

acetol thay cho quá trình chưng cất gỗ trong

cong nghiệp trước đây( sơ đồ trg 59- TL )

2/Sx axit hữu cơ: axit acetic(= CNVS để biến đổi

celulose thành acetic axit, hoặc tổng hợp

acetic axit từ co2 và H2 nhờ Acetobacter và

clostridium ); Lactic axit; citric a …

3/ Sx amino axit: về nguyên tắc có thể thủy phân protein= axit

hoặc enzyme hoặc tổng hợp hóa học để tạo ra các đồng

phân quang học của amino axit , lên men và tổng hợp nhờ

các enzyme Ngày nay người ta dùng VSV để lên men hoặc

xúc tác enzyme Các

chủngVS:Bacilus;Aerobacter;Micobacterium

4/CNSH sx thuốc kháng sinh và thuốc steroid

chủ yếu nhờ lên men = VSV Các hướng N/c trong limhx 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 thuốc

Các loại thuốc kháng sinh được sx theo 3 phương pháp sau:

16

CÁC PP SX THUỐC KHÁNG SINH:

a/ 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.

b/ 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 muốn

c/ cải biến thuốc kháng inh nhờ VSV

5/ Sử dụng tính năng và công dụng súc tác của các

enzyme thương mại trong cong nghiệp hóa chất :

6/ CNSH 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 TBTVchonj lọc

nhằm tạo ra cacsc chất thứ cấp quý hiếm; SX hóa

chất từ sinh khối )

18

7/ Triển vọng của CNSH trong CNHC

càng ngày vai trò của CNSH trong ngành

Hóa chất càng được chú trọng khai thác vd:

- 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 biên 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

oxydase )

- Công 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 protein

- - ứng dụng enzyme trong hệ khan nước

20

1 Mục tiêu : cải thiện những đặc tính di

truyền của sv

2 Tạo đột biến và phân lập chủng

3 Tạo giống bằng phương pháp lai ghép tế bào

plasma

5 Lai ghép tế bào trần – protoplast thực vật

6 Lai ghép tế bào động vật

3.CNSH TRONG DI TRUY ỀN SINH HỌC PHÂN TỬ

4.CÔNG NGHỆ SINH HỌC NÔNG NGHIỆP.

1.Cuộc cách mạng xanh.- cải tạo giống cây trồng

2.Vấn đề cố định đạm (N)

3.Sản xuất năng lượng trong nông nghiệp.

4 Trồng cây trong dinh dưỡng(Phương pháp canh tác mới)

5 CNSH trong lĩnh vực BVTV

6.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

1.Công nghệ nuôi cấy tế bào vi sinh vật- Lên men

2.CNSH và vấn đề tạo giống cây trồng bằng

phương pháp nuối cấy mô, tế bào, công nghệ

vi nhân giống đáp ứng yêu cầu cây giống tốt ,

có chất lượng cao , sạch bệnh , các giống cây

trồng lâm nghiệp có tốc độ sinh trưởng cao ,

chất lượng gỗ tốt , chống chịu sâu bệnh bệnh,

thích nghi với các điều kiện ngoại cảnh bất

thuận ,

6 CÔNG NGHỆ SINH HỌC VỚI Y HỌC

1.Sản xuất các chất có họat tính sinh học nhờ nuôi cấy mô tế bào Sản xuất thuốc bằng

công nghe nuôi cấy tế bào

2 n/c , pt và ứng dụng công nghệ tế bào gốc phục vụ chữa bệnh ; mở rộng quy mô ứng

dụng công nghệ thụ tinh trong ống nghiệm đẻ giải quyết vấn đề vô sinh ; phất triển

công nghệ đơn dòng tế bào và ứng dụng trong việc chẩn đoán vadf điều trị bệnh

3-N/C Pt và ứng dụng công nghệ gen trong chẩn đoán và điều trị bệnh , nâng cao chất

lượng và nòi giống con người VN

4-Chẩn đóan chữa trị bệnh  dùng phương pháp di truyền phân tử và kỹ thuật AND tái

tổ hợp.

5-Sản xuất các sản phẩm y học bằng tế bào cải biến.

6- 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 khẩu

7-Sản xuất thuốc nhờ công nghệ sử dụng DNA tái tổ hợp.

8- 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

9- N/C và ứng dụng công nghệ tế bào trong bảo tồn và phát triển các nguồn dược liệu

quý hiếm

24

7.CNSH VỚI MÔI TRƯỜNG

-n/c phat 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 dunh

hợp lý tài nguyên, đa dạng sinh học đất đai ,

nước , không khí vì mục tiêu phát triển bền vững

7.CNSH VỚI MÔI TRƯỜNG

-n/c phat 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 sinhthais tự

nhiên , bảo vệ môi trường

-n/c pt & ud cnsh đẻ lưu giữ và bảo tồn , sử dunh

hợp lý tài nguyên, đa dạng sinh học đất đai ,

nước , không khí vì mục tiêu phát triển bền

khiến nhiều nước trên thế giới phải đau đầunghiên cứu nhằm tìm ra hướng đi mới và bềnvững cho nền nông nghiệp Trên thực tế, việc ứngdụng công nghệ sinh học (CNSH) vào sản xuất đã

và đang mang lại lới ích to lớn cho nhiều quốc

Công nghệ sinh học ngày càng chiếm ưu

28

Lợi ích của công nghệ sinh học

Trước những thách thức về tăng dân số toàncầu (vào năm 2020 sẽ có 9 tỷ người, năm 2050

sẽ là 12 – 15 tỷ người) và xu thế giảm tăngtrưởng sản lượng lương thực do nạn phá rừng,xói mòn, dinh dưỡng đất đai cạn kiệt, môi

trường khí hậu thay đổi, thiếu đất canh tác docông nghiệp hoá và đô thị hoá việc phát triểnCNSH đang là lựa chọn số một của nhiều quốcgia trên thế giới Vậy, CNSH là gì? Theo một sốtài liệu, CNSH được hiểu là quá trình áp dụngcác nguyên lý khoa học và kỹ thuật để biến đổivật chất bằng các tác nhân sinh học nhằm cungcấp sản phẩm và các dịch vụ Các tác nhân sinhhọc chính là vi sinh

• vật, tế bào thực vật và các enzim Sản phẩm và

các dịch vụ chủ yếu của chúng có liên quan đến

lĩnh vực nông nghiệp, ngư nghiệp, công nghiệp

thực phẩm và dược phẩm Ngày nay, CNSH

đang được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như

công nghiệp, nông nghiệp, y học Bằng những

kiến thức sinh học về thực vật, động vật, nấm, vi

khuẩn và sử dụng “công nghệ DNA tái tổ hợp”,

các nhà khoa học đang cố gắng tạo ra những

cây trồng, vật nuôi có năng suất và chất lượng

cao, những loại thực phẩm, dược phẩm phục vụ

con người

30

Trên thực tế, đối với những nơi ứng dụng

CNSH trong nông nghiệp, bà con không

phải sử dụng nhiều thuốc trừ sâu bệnh và

phân bón hoá học, thậm chí có thể giảm

được 15 - 30% lượng thuốc trừ sâu so với

cách làm truyền thống Bên cạnh đó, việc

ứng dụng CNSH trong nông nghiệp còn

giúp tăng năng suất cây trồng – vật nuôi,

tăng thu nhập, bảo vệ đa dạng sinh học,

bảo vệ môi trường

• Điều dễ nhìn thấy nhất là sản phẩm CNSH đang mang

lại lợi nhuận kinh tế khổng lồ cho nhiều quốc gia Theo

ông Clive James, Chủ tịch Hội đồng giám đốc Cơ quan

quốc tế về ứng dụng CNSH nông nghiệp (ISAAA), trong

thập niên đầu tiên trồng cây áp dụng CNSH (1996 –

2005), lợi ích kinh tế mang lại cho các nước là 27 tỷ

USD, thuốc trừ sâu giảm được 172.000 tấn (tương

đương 15% tổng lượng sử dụng cho cây trồng) Hiện đã

có 22 nước, chiếm 55% dân số và 52% diện tích trên thế

giới trồng cây biến đổi gien với tổng diện tích 102 triệu

ha, tăng 60 lần trong vòng 11 năm (năm 1996, toàn thế

giới chỉ có 1,7 triệu hecta, năm 2005 là 90 triệu hecta).

Riêng tại châu Âu, trong năm 2007 diện tích cây trồng

biến đổi gien đã tăng 77% so với năm trước, trong đó

32

Những quốc gia tiên phong

Theo 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 1.300 công ty CNSH với doanh

thu hàng năm đạt khoảng 12,7 tỷ USD.

• Càng ở những quốc gia có diện tích đất nông nghiệp

nhỏ hẹp, họ càng coi trọng và dành nhiều ưu ái cho

CNSH Đơn cử như ấn Độ, nước có diện tích canh tác

bình quân đầu người tương đối thấp, chính vì vậy họ đã

đặt mục tiêu phát triển CNSH trong nông nghiệp lên

hàng đầu Thành công lớn nhất của họ là đã phát triển

cây bông biến đổi gien kháng sâu bệnh và chịu hạn tốt.

Chỉ trong 3 năm (2005 – 2007), diện tích bông ấn Độ đã

tăng gấp 3 lần, từ 13 triệu hécta lên 35 triệu hécta Bộ

trưởng Khoa học - Công nghệ ấn Độ, ông Kapil Sibal

cho biết: “Hai ngành then chốt là nông nghiệp và dược

phẩm sẽ được chúng tôi ưu tiên phát triển dài hạn, trong

đó trọng tâm là các cây trồng biến đổi gien nhằm đảm

bảo an ninh lương thực cho quốc gia đông dân thứ hai

thế giới Chúng tôi không thể nhắm mắt với CNSH trong

nông nghiệp, vì như vậy là đi ngược lại mục tiêu duy trì

tốc độ phát triển và bảo vệ môi trường, đảm bảo quyền

lợi căn bản của người nông dân và an toàn

34

• và an toàn đối với sức khỏe người tiêu

dùng” Đến nay, công nghệ biến đổi gien

của nước này đã được áp dụng thành

công không chỉ trên cây bông mà còn cho

trên 13 loại cây trồng khác như lúa, đậu,

cà chua, bắp cải, cà , đảm bảo các tiêu

chuẩn an toàn, ghi rõ nguồn gốc xuất xứ,

không ảnh hưởng đến tính đa dạng sinh

học, làm lợi cho môi trường

Tại ixaren:

• 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

36

Bên cạnh đó, công nghệ nhà kính bao gồm các

băng phim chất dẻo chuyên dụng, sưởi ấm

thông gió và các hệ thống cấu trúc, đã giúp

nông dân Israel trồng được hơn 3 triệu bông

hồng/ha/vụ và khoảng 300 tấn cà chua/ha/vụ,

gấp 4 lần sản lượng trồng ngoài đồng Ngoài ra,

Israel còn ưu tiên sử dụng những hạt giống và

cây con giống chống chịu được bệnh tật, bảo

quản được lâu và thích nghi với những điều kiện

khí hậu khác nhau như dưa hấu không hạt, bí

chịu sâu bệnh, dưa chuột năng suất cao, đậu

bắp vàng hình tròn, các giống bông lai với

những sợi khỏe và dai