Bài tiểu luận các phương pháp cải tiến giống vi sinh vật trong công nghiệp

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP

Phương pháp đột biến nhân tạo

2.1.1 Đặc điểm của phương pháp chọn lọc đột biến

Công nghiệp vi sinh vật đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng nhờ vào những tiến bộ vượt bậc trong khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong việc chọn lọc các chủng vi sinh vật có năng suất cao.

Phương pháp này có các đặc điểm:

 Thu nhận kết quả rất nhanh

 Chỉ đánh giá sản phẩm thu được, không quan tâm các biến đổi sinh lí, sinh hoá.

 Tạo ra các chủng có năng suất cao.

 Khắc phục một số nhược điểm của chủng ban đầu.

 Làm biến đổi bản chất hoá học các chất trong chủng ban đầu.

Quá trình chọn giống Penicillium chrysogenum tại Mỹ là một ví dụ điển hình về phương pháp chọn giống Bắt đầu từ dòng ban đầu với sản lượng 60mg/l, các nhà nghiên cứu đã chọn lọc các đột biến ngẫu nhiên, nâng cao sản lượng lên 150mg/l Tiếp theo, họ tiếp tục sử dụng các đột biến được tạo ra từ tác động của tia để tối ưu hóa sản phẩm.

X và UV Việc chọn lọc theo nguyên tắc: lấy dòng có sản lượng cao nhất đem gây đột

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

Các phương pháp cải tiến giống vi sinh vật trong công nghiệp nhóm 4 đã được áp dụng để chọn lọc chủng vi nấm Penicillium chrysogenum có năng suất cao nhất Qua nhiều bước trung gian, quy trình này đã dẫn đến việc tạo ra dòng E.15.1 với sản lượng đạt 7000 mg/l.

Phương pháp chọn giống đột biến được áp dụng để phát triển các chủng có khả năng sản sinh nhiều axit amin, chẳng hạn như glutamic axit, cũng như các nucleotit Bên cạnh đó, phương pháp này còn giúp nhận diện các đột biến liên quan đến cơ chế điều hòa trao đổi chất.

 Các đột biến cơ cấu (constitutive mutants): tạo sản phẩm không cần chất cảm ứng

 Các đột biến kháng ức chế ngược là các đột biến tạo sản phẩm nhiều mà không bị ức chế bởi sản phẩm cuối (end product repression)

Hình 2.1 : Gen bị đột biến

2.1.2 Phân loại các tác nhân gây đột biến

2.1.2.1 Những tác nhân vật lý:

 Bắn phá bằng hạt nơtron hay electron.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Hình 2.2: Các tác nhân vat lí gây độ biến

Trong các tác nhân vật lý dùng vào mục đích này là tia cực tím hay là tia tử ngoại.

Đèn thạch anh phát ra tia cực tím được sử dụng để chiếu lên dịch huyền phù chứa vi sinh vật trong môi trường đẳng trương, được đặt trong hộp petri mở nắp và có khuấy hoặc lắc Khoảng cách giữa đèn UV và dịch huyền phù, thời gian chiếu, cũng như cường độ bức xạ được điều chỉnh nhằm tối ưu hóa tỷ lệ tế bào bị tiêu diệt và sống sót, đạt khoảng 0,2-0,5%.

2.1.2.2 Những tác nhân hoá học:

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Sử dụng các hợp chất hóa học:

Hình 2.3: Các tác nhân hóa học gây đột biến

Sử dụng các tác nhân hóa học có thể tạo ra các thể đột biến trong khoảng 10^5-10^8 tế bào Nồng độ hóa chất và thời gian chiếu xạ được xác định qua thực nghiệm, nhằm đảm bảo chỉ một số rất nhỏ tế bào vi sinh vật sống sót Sau khi tiếp xúc với các tác nhân đột biến, các chủng được rửa bằng nước đẳng trương vô khuẩn và trải qua nhiều lần pha loãng liên tiếp trước khi được cấy chuyền trên hộp petri để khảo sát các đặc tính mới Quá trình cấy chuyền thực hiện bằng kỹ thuật đóng dấu, chuyển khuẩn lạc từ hộp petri này sang hộp petri khác.

2.1.3 Phát hiện các thể đột biến có hiệu quả

Để phát hiện các đột biến hiệu quả, cần thiết phải có hệ thống chọn lọc nhằm tìm ra các đột biến hiếm trong một khối lượng lớn các dạng không đột biến Các hệ thống này phụ thuộc vào nhiều loại đột biến khác nhau Trong lĩnh vực vi sinh vật, khái niệm lực phân giải (resolving power) được đưa ra để chỉ khả năng phát hiện các đột biến rất hiếm so với các dạng không đột biến.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

2.1.3.1 Phương pháp đề kháng: Ở vi khuẩn các tác nhân chọn lọc thường là thuốc và phage Các đột biến được dễ dàng phát hiện trên môi trường agar có thuốc hay phage ở dạng các khuẩn lạc được mọc lên.

2.1.3.2 Phương pháp làm giàu chậm:

Việc phát hiện đột biến khuyết dưỡng gặp nhiều khó khăn hơn Đầu tiên, dung dịch vi khuẩn pha loãng được cấy lên bề mặt môi trường agar tối thiểu để tạo thành các khuẩn lạc rời rạc Sau đó, một lớp môi trường tương tự được đổ lên trên, tạo thành lớp phủ mỏng Hộp petri được ủ để cho các khuẩn lạc bình thường phát triển Tiếp theo, một lớp môi trường dinh dưỡng có chất bổ sung được đổ lên và ủ tiếp để chất bổ sung khuếch tán Các đột biến khuyết dưỡng sẽ xuất hiện sau khi có chất bổ sung, với khuẩn lạc nhỏ hơn do tốc độ phát triển chậm hơn.

2.1.3.3 Phương pháp làm giàu hạn chế:

Phương pháp làm giàu chậm đơn giản sử dụng vi khuẩn cấy trên môi trường tối thiểu với một ít bổ sung Trong điều kiện này, các đột biến khuyết dưỡng phát triển cho đến khi hết chất dinh dưỡng bổ sung, dẫn đến việc hình thành khuẩn lạc nhỏ Trong khi đó, các vi khuẩn bình thường tiếp tục phát triển và tạo ra khuẩn lạc lớn.

2.1.3.4 Phương pháp làm giàu nhờ penicillin: Được áp dụng cho các vi khuẩn.Penicillin có tác dụng diệt các vi khuẩn bình thường khi phân chia Các vi khuẩn được cho vào môi trường tối thiểu có penicillin Các vi khuẩn đang tăng trưởng bị diệt chỉ có các tế bào đột biến không tăng trưởng còn sống sót Sau đó hỗn hợp được cấy lên môi trường không có penicillin thì các đột biến khuyết dưỡng mọc lên với tỷ lệ tương đối cao hơn.

2.1.3.5 Phương pháp chọn lọc: Được sử dụng để chọn lọc các đột biến khuyết dưỡng ở nấm sợi Dung dịch các bào tử được nuôi trong môi trường dinh dưỡng thiếu chất bổ sung Các đột biến thiếu chất bổ sung không mọc được, các dạng bình thường mọc ra nhiều sợi Khi lọc qua màng lọc sợi thủy tinh, các dạng bình thường nhiều sợi bị giữ lại, các dạng đột biến đi qua màng lọc Dung dịch có nhiều dạng đột biến được cấy trên môi trường có chất bổ sung và kiểm tra tìm các dạng đột biến.

Các vi khuẩn được cấy để phát triển thành từng khuẩn lạc trên môi trường dinh dưỡng tối thiểu Những khuẩn lạc có đột biến không thể phát triển Dựa vào sự không phát triển của các đột biến, có thể tách riêng các đột biến khuyết dưỡng.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Phương pháp này đã đem lại những thành tích ngoạn mục, góp phần tích cực cho sự phát triển của công nghiệp lên men vi sinh như:

 Chủng Penicillium chrysogenum ban đầu có năng suất 60 mg/l và nay đạt 60000 mg/l, hơn chủng ban đầu đến 1.000 lần.

 Chủng Corynebacterium glutamicum tạo glutamic axit đạt hơn 200g/l so với ban đầu chỉ có 20g/l.

 Chủng Serratia marcescens sinh ra biotin đạt 600mg/l.

 Riboflavin(vitamin B2) là sản phẩm thương mại được tổng hợp bằng phương pháp lên men và phương pháp hoá học Sản xuất riboflavin do 2 chủng vi nấm

Eremothecium ashbyii và Ashbya gossypii với sản lượng hơn 20 g/l, gấp 40000 lần nhu cầu của nó.

Sản xuất vitamin B12 trong công nghiệp chủ yếu sử dụng các chủng vi khuẩn như Propionibacterium shermanii và Pseudomonas denitrificans Những chủng vi khuẩn đột biến này có khả năng sản sinh vitamin B12 với số lượng vượt trội, thậm chí gấp nhiều lần so với nhu cầu của tế bào Đặc biệt, Pseudomonas denitrificans có thể tạo ra vitamin B12 gấp 100.000 lần nhu cầu của nó, cho thấy tiềm năng lớn trong việc sản xuất vitamin B12 quy mô công nghiệp.

Vi khuẩn Corynebacterium glutamicum Vi khuẩn Serratia marcescens

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Eremothecium ashbyii sinh vitamin B2 ngay trên môi trường

Hình 2.4: Các loại vi sinh vật được cải tiến cho năng suất cao

Các chủng hoang dại trong tự nhiên thường không có khả năng tổng hợp thừa, và các chủng nguyên thủy thuần khiết sau khi phân lập cũng không bền vững Để đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp, việc lựa chọn giống có khả năng "siêu tổng hợp" so với các chủng nguyên thủy đã trở thành một giải pháp hiệu quả, với phương pháp đột biến đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Phương pháp tái tổ hợp gen: Biến nạp, tiếp hợp, tải nạp

Các tế bào vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển giống vi sinh vật công nghiệp Nhiều chủng mới với hoạt tính cao đã được tạo ra, có khả năng tổng hợp các chất quý, trước đây chỉ có thể sản xuất từ động vật hoặc thực vật Các gen điều khiển quá trình tổng hợp này đã được chuyển vào tế bào vi khuẩn Sau đó, quy trình lên men được tổ chức để đưa vào sản xuất công nghiệp, tương tự như các sản phẩm truyền thống khác.

Các sản phẩm như interferon, insulin và các kháng thể đơn dòng được sản xuất thông qua công nghệ lên men Việc sử dụng các chủng vi sinh vật đã được biến đổi gen là rất quan trọng, vì các chủng tự nhiên khó kiểm soát và có thể gây ra hậu quả khó lường Do đó, các quốc gia phát triển thường áp dụng quy định nghiêm ngặt về việc cho phép sử dụng các chủng tái tổng hợp trong công nghiệp.

2.2.1 Phương pháp biến nạp (transformation)

Hiện tượng biến nạp được Griffith phát hiện ở vi khuẩn Diplococus pneumoniae

Streptococcus pneumoniae, phế cầu khuẩn gây sưng phổi ở động vật có vú, được phát hiện vào năm 1928 Biến nạp là quá trình chuyển DNA trực tiếp từ tế bào cho sang tế bào nhận, cho phép truyền thông tin di truyền qua ADN Trong quá trình này, ADN trần từ một tế bào vi khuẩn (thể cho) được truyền sang tế bào vi khuẩn khác (thể nhận) Biến nạp xảy ra khi vi khuẩn hấp thu ADN ngoại lai vào trong tế bào Khi tế bào vi khuẩn bị tan (lysis), ADN vòng tròn thoát ra môi trường dưới dạng các đoạn thẳng với chiều dài khác nhau, có khả năng gây biến nạp cho các tế bào nhận khác.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Thí nghiệm được Griffith tiến hành:

Hình 2.5 minh họa hiện tượng biến nạp, trong đó dạng S III có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, gây bệnh và cản trở bạch cầu phá vỡ tế bào Ngược lại, dạng R II không gây bệnh và không có vỏ bao.

Hiện tượng cho thấy vi khuẩn S không thể tự phục hồi sau khi bị tiêu diệt bởi nhiệt, tuy nhiên, các tế bào chết này lại có khả năng truyền tính gây bệnh cho tế bào R, hiện tượng này được gọi là biến nạp.

Biến nạp được nghiên cứu kĩ nhất ở các vi khuẩn Streptococcus pneumoniae,

Bacillus subtilis, Haemophilus influenzae và ở một số nhóm vi khuẩn khác.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Hình 2.6: Kỉ thuật biến nạp được sử dụng ở vi khuẩn E Coli

Hiệu quả của biến nạp phụ thuộc vào 3 yếu tố:

Tính dung nạp của tế bào nhận.

Kích thước của đoạn ADN ngoại lai.

Sử dụng phương pháp biến nạp có thể sử dụng được các ADN có lợi trong công nghiệp sản xuất.

Chuyển gen gián tiếp hay phương pháp chuyển gen tải nạp nhờ các nhân tố trung gian như vi khuẩn Agrobacterium hoặc virút và phage

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Phương pháp chuyển gen nhờ vi khuẩn Agrobacterium sử dụng vi khuẩn gây khối u ở thực vật Vi khuẩn này chứa plasmit lớn gọi là Ti-plasmit, có khả năng truyền ADN vào cây qua vết xước, dẫn đến việc hình thành khối u do các gen sản sinh auxin và opin Để ứng dụng trong chuyển gen, Ti-plasmit được biến đổi bằng cách loại bỏ gen gây khối u và thay thế bằng gen mới, từ đó giúp chuyển gen vào cây trồng hiệu quả.

Chuyển gen nhờ virút và phage là phương pháp sử dụng các loại virút như SV 40, BPV và các phage như phage M13 để thực hiện quá trình chuyển gen vào vi khuẩn hoặc tế bào thực vật.

Gồm hai kiểu tải nạp: tải nạp chung và tải nạp chuyên biệt( đặc hiệu)

 Tải nạp chung là trường hợp bất kì gene nào của thể cho cũng có thể được chuyển sang thể nhận bằng phage.

Hình 2.7: Tải nạp chung (generalized transduction)

 Tải nạp chuyên biệt( đặc hiệu, hạn chế) là trường hợp phage chỉ truyền đi những gene nhất định từ thể cho sang thể nhận.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Hình 2.8: Tải nạp chuyên biệt hay tải nạp hạn chế (restricted transduction)

Có thể áp dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để nạp gen vào tế bào chủ, bao gồm kỹ thuật siêu âm, kỹ thuật xung điện, vi tiêm và bắn gen Những phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình chuyển giao gen, nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu và ứng dụng sinh học phân tử.

 Kĩ thuật siêu âm: là kĩ thuật dùng máy siêu âm để đưa ADN ngoại lai xâm nhập vào bộ gen tế bào trần của vật chủ.

Kỹ thuật xung điện là phương pháp sử dụng dòng điện cao áp khoảng 500V/cm trong khoảng thời gian 4-5% giây, nhằm tạo ra các lỗ thủng trên màng tế bào Quá trình này giúp cho gen lạ từ bên ngoài dễ dàng xâm nhập vào bộ gen của tế bào chủ.

Kỹ thuật vi tiêm là phương pháp tiêm một lượng nhỏ ADN, bao gồm các gen, vào tế bào chủ hoặc vào tế bào trứng đã thụ tinh trong giai đoạn phôi với 4-8 tế bào.

Kỹ thuật bắn gen là phương pháp sử dụng súng bắn gen để đưa vi đạn mang gen cần chuyển vào bộ gen của tế bào chủ Vi đạn, được làm từ hạt vonfram hoặc vàng, được trộn với gen và phụ gia, sau đó được gắn vào đầu viên đạn lớn hơn Khi bắn, viên đạn lớn giữ lại trong súng, trong khi vi đạn được bắn vào tế bào với tốc độ cao Gen cần chuyển sẽ tái tổ hợp với bộ gen của tế bào chủ, tạo ra tế bào mang gen mới, từ đó phát triển thành cơ thể chuyển gen.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Các thành tựu tiêu biều:

 Tạo chủng vi khuẩn E.Coli sản suất hoócmôn insulin để chữa tiểu đường ở người.

 Tạo chủng vi khuẩn E.Coli sản suất hoocmôn somatostatin.

 Chuyển gen tổng hợp kháng sinh của xạ khuẩn (sinh sản chậm) vào các chủng vi khuẩn (sinh sản nhanh) nhằm mục đích hạ giá thành thuốc kháng sinh.

 Tạo chủng vi khuẩn chuyển gen có khả năng phân hủy nhanh rác thải

Hình 2.9: Sơ đồ thí nghiệm tạo dòng vi khuẩn mang ADN tái tổ hợp có chứa gen Insulin ở người

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

2.2.3 Giao nạp hay tiếp hợp (Conjugation)

Vào năm 1946, J Lederberg và E Tatum đã chứng minh sự trao đổi vật chất di truyền giữa các vi khuẩn sống, một quá trình được gọi là giao nạp hay tiếp hợp.

Hình 2.10: (a) Joshua Lederberg (trái) và E.L Tatum; (b) E coli tiếp hợp Hai tế bào kết hợp nhau bằng một cầu nối, thể cho bên trái và thể nhận bên phải

Giao nạp ở vi khuẩn là quá trình tạm thời giữa hai tế bào có kiểu bắt cặp đối nhau, trong đó một phần vật chất di truyền được truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận qua cầu tế bào chất Quá trình này bắt đầu bằng sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai tế bào thông qua ống giao nạp (pilus), một sợi ống dài do tế bào cho tạo ra ADN được truyền qua ống giao nạp, và tế bào vi khuẩn sử dụng kiểu sao chép sigma (σ) để chuyển phân tử ADN dạng thẳng sang tế bào nhận Khi ADN vào bên trong tế bào nhận, nó sẽ thực hiện tái tổ hợp với các gen tương đồng.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Trong hình 2.11, mô tả sự tiếp hợp giữa các tế bào E coli F+ (đực) và F- (cái), với quá trình truyền nhân tố F- dưới dạng DNA sợi đơn đang tái bản kiểu vòng lăn từ tế bào F+ sang tế bào F- qua cầu tiếp hợp Trong điều kiện lý tưởng, tế bào F- sẽ sao chép nhân tố F và tổng hợp sợi DNA bổ sung, chuyển đổi thành tế bào F+.

Vào năm 1946, Joshua Lederberg và E.L Tatum đã tiến hành thí nghiệm với các nòi đột biến khuyết dưỡng của E coli, nhằm chứng minh sự tái tổ hợp gen giữa chúng Nòi A mang kiểu gene met- bio- thr+ leu+, trong khi nòi B có kiểu gene ngược lại, met+ bio+ thr- leu Khi nuôi cấy riêng rẽ trên môi trường tối thiểu, cả hai nòi đều không phát triển Tuy nhiên, khi trộn lẫn hai nòi A và B trong ống nghiệm và cấy lên môi trường tối thiểu, đã xuất hiện các khuẩn lạc, chứng tỏ có sự tái tổ hợp gen và hình thành các thể lai với kiểu gene met+ bio+ thr+ leu+, bù đắp cho sự thiếu hụt dinh dưỡng của nhau.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Hình 2.12 : Thí nghiệm kinh điển của J Lederberg và E Tatum

Hình 2.13 cho thấy cơ chế tiếp hợp ở E coli

Hình 2.13: Cơ chế tiếp hợp và tái tổ hợp gene ở các tế bào E coli

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

Lựa chọn giống thường xuyên

Thu thập số liệu năng suất của các chủng vi sinh vật theo từng thời kỳ là rất quan trọng Dựa trên các tiêu chuẩn đã đề ra, cần đánh giá và thay thế giống không phù hợp để nâng cao chất lượng Điều này giúp đảm bảo năng suất sản phẩm luôn đạt kết quả cao nhất.

CÁC YÊU CẦU VỀ CẢI TẠO GIỐNG VI SINH VẬT

Một giống sau khi được cải tạo phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Cho năng suất cao, chất lượng tốt.

 Sử dụng nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền.

 Thời gian sản xuất ngắn hơn chủng ban đầu.

 Sinh khối hay sản phẩm sinh ra dễ sử dụng.

 Không cho các sản phảm phụ không mong muốn.

 Vi sinh vật phải được thuần chủng, không chứa vi sinh vật lạ, đặc biệt là vi sinh vật không có lợi hay gây hại.

 Chủng sinh vật phải khỏe mạnh, phát triển nhanh.

 Có khả năng chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường.

 Dễ bảo quản và sử dụng các đặc tính sinh lí, sinh hóa luôn ổn định trong thời gian sử dụng.

 Có khả năng thay đổi các đặc tính bằng các kĩ thuật đột biến, kỹ thuật gen để không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm.

ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG TRONG SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP

Sản xuất etanol nhiên liệu

Nấm men S cerevisiae và vi khuẩn Zymomonas mobilis là hai vi sinh vật chính trong quá trình lên men etanol nhiên liệu Mặc dù nấm men đóng vai trò chủ yếu, nhưng nó không có khả năng lên men xyloz, pentoz và một số loại đường khác Do tầm quan trọng chiến lược của việc này, nhiều nỗ lực hiện đang được tập trung vào việc cải thiện giống nấm men để tối ưu hóa việc sử dụng nguồn nguyên liệu đa dạng, phục vụ cho quy trình công nghiệp trong tương lai.

Các nghiên cứu chủ yếu nhằm thiết kế:

 Các chủng sử dụng lactoz để tận dụng phụ phẩm công nghiệp sữa

 Các chủng vi sinh có khả năng chuyển hoá xyloz mà nấm men không đồng hoá.

 Các chủng nấm men phân giải tinh bột để lên men bột khỏi phải qua đường hoá

 Các chủng vi sinh vật để sản xuất etanol từ pentoz.

 Ngoài ra, vấn đề quan trọng khác là sản xuất enzym cellulaz giá rẻ để giá thành etanol nhiên liệu đủ sức cạnh tranh với xăng dầu

Chuyển hoá sinh khối thực vật thành etanol nhiên liệu là một điểm nóng của CNSH hiện đại.

Cải biến các chủng vi sinh vật sản xuất vitamin

Riboflavin (Vitamin B2): Phương pháp mới sử dụng các loài Candida hoặc chủng

Bacillus subtilus tái tổ hợp cho sản lượng 20 – 30g/l.

Gần đây, vào năm 1990, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo dòng gen cho sự tổng hợp carotenoit vòng, đặc biệt là β-caroten từ vi khuẩn Erwinia uredovora Việc chuyển giao bốn gen sinh tổng hợp β-caroten vào các vi sinh vật Z mobilis và Agrobacterium tumefaciens đã mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng vitamin.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

Các phương pháp cải tiến giống vi sinh vật trong công nghiệp nhóm 4 đã dẫn đến việc thu được các khuẩn lạc màu vàng trên các đĩa thạch Những thể tiếp hợp này có khả năng sản xuất lên đến 220.

350γg β-caroten trên gram khối lượng khô ở phaz ổn định trong môi trường nuôi.

L-ascorbic axit (Vitamin C) được hiện tổng hợp thương mại theo một quy trình đắt tiền, bao gồm 1 giai đoạn lên men Vi sinh vật và một số giai đoạn hóa học bắt đầu với D- glucoz Giai đoạn cuối cùng trong quá trình là sự chuyển hoá 2-KLG thành L-ascorbic axit dưới xúc tác là axit.

Cách hiệu quả nhất để chuyển hóa glucoz thành 2-KLG là phát triển một vi sinh vật có khả năng sản xuất đầy đủ các enzym cần thiết cho quá trình này Việc chuyển đổi D-glucoz thành 2,5-DKG sẽ được thực hiện thông qua các enzym đặc hiệu trong vi sinh vật đã được tạo ra.

Erwinia herbicola bao gồm nhiều bước xúc tác bởi enzym, trong khi đó sự chuyển đổi

2,5-DKG thành 2-KLG do Corynebacterium sp Cách đơn giản nhất để thiết kế một sinh vật có khả năng chuyển D-glucoz thành 2-KLG là tách gen 2,5-DKG reductaz từ

Các tế bào Erwinia được biến nạp gen 2,5-DKG reductaz có khả năng chuyển hoá D-glucoz thành 2-KLG thông qua các enzym nội bào Enzym trên màng trong của vi khuẩn chuyển đổi glucoz thành 2,5-DKG, sau đó 2,5-DKG reductaz xúc tác chuyển 2,5-DKG thành 2-KLG Bằng cách kết hợp khả năng chuyển hoá của hai vi sinh vật khác nhau thông qua thao tác gen, quá trình sản xuất 2-KLG được tối ưu hóa Loại sinh vật này rất có giá trị như nguồn cung cấp 2-KLG cho sản xuất L-ascorbic axit, giúp thay thế ba công đoạn đầu trong quy trình hiện tại.

Thông qua đột biến điểm định hướng bằng oligonucleotit đã thu được đột biến

2,5-DKG reductaz có hoạt tính cao hơn khoảng 2 lần và bền với nhiệt hơn dạng enzym tự nhiên.

Tạo ra các protein tái tổ hợp

Các r-protein đầu tiên được sản xuất nhờ các vi sinh vật chủ như E coli hay nấm men S cerevisiae đã được nêu trên bảng dưới đây.

Bảng 3.1 : Các loại protein trị liệu tạo ra do E coli hay nấm men S cerevisiae

STT Tên sản phẩm Các bệnh được điều trị

2 Interferon alpha Viêm gan siêu vi C, mụn cóc qua đường tình dục, ung thư

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHIỆP NHÓM 4

3 Interferon beta Xơ cứng (Multiple sclerosis)

4 Hormone tăng trưởng người Thiểu năng tăng trưởng (Growth defiency)

Hóa trị liệu giảm bạch cầu trung tính (Chemotherapy-induced neutropenia)

Ngoài ra còn có các phân tử sinh học khác như:

 Các enzym: ADNz I, alginat lyaz, phenylalanin amonilyaz, alpha-1-antitrypsin.

 Các kháng thể dùng trong chẩn đoán và chữa trị nhiều bệnh.

MỘT SỐ THÀNH TỰU CẢI TẠO GIỐNG VI SINH VẬT

Năm 1949, BS Nguyễn Văn Hưởng đã sản xuất hàn loạt các vắcxin chống đậu mùa, tả, thương hàn,…

Vào năm 1950, GS.BS Đặng Văn Ngữ và GS.BS Phạm Ngọc Thạch đã thành công trong việc nuôi cấy nấm Penicilin để sản xuất kháng sinh, hỗ trợ cho các chiến sĩ bị thương ngoài chiến trường GS.BS Đặng Văn Ngữ đã trực tiếp sản xuất dịch thô Penicilin tại chiến khu, góp phần quan trọng vào công cuộc cứu chữa và bảo vệ sức khỏe cho những người chiến đấu.

Việt Bắc.Và ông cũng là người xây dựng nên bộ môn vi sinh học và kí sinh trùng của

Trường ĐH Y Hà Nội và xây dựng nên viện sốt rét kí sinh trùng và côn trùng.

Ngành công nghiệp vaccine đã đạt được những thành tựu đáng kể, với các công ty trong nước sản xuất nhiều loại vaccine đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu Những vaccine này bao gồm các loại như viêm não Nhật Bản, tả, dại, ho gà, và uốn ván.

Từ năm 1995, đã tiến hành nghiên cứu vi sinh vật tái tổ hợp, vaccin tái tổ hợp,

Xử lý bào tử nấm Penicillium bằng tia phóng xạ đã dẫn đến việc tạo ra chủng Penicillium với hoạt tính pênixilin tăng gấp 200 lần so với dạng ban đầu Qua việc chọn tạo các thể đột biến sinh trưởng mạnh trên nấm men và vi khuẩn, các nhà nghiên cứu đã phát triển những chủng vi sinh vật không gây bệnh, đóng vai trò như kháng nguyên, giúp tạo miễn dịch ổn định cho ký chủ chống lại các vi sinh vật gây hại Nguyên tắc này đã mở ra khả năng phát triển vacxin phòng bệnh cho cả người và gia súc.

Công nghệ DNA tái tổ hợp đã cho phép sản xuất protein vỏ của nhiều loại virus, bao gồm virus bệnh dại và viêm gan B Việc sản xuất vaccine dựa trên kỹ thuật gen đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong y học hiện đại.

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

Các phương pháp cải tiến giống vi sinh vật trong ngành công nghiệp nhóm 4 đang phát triển mạnh mẽ nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp Vaccine DNA tái tổ hợp được chế tạo từ vi khuẩn đã được chuyển gen mã hóa protein kháng nguyên của virus hoặc vi khuẩn gây bệnh Hiện nay, các vaccine DNA tái tổ hợp như vaccine viêm gan B, vaccine dại kiểu mới, vaccine tả kiểu mới, vaccine sốt rét và vaccine bệnh phong đang được sử dụng cho con người Virus viêm gan B có vỏ ngoài lipoprotein, với kháng nguyên bề mặt là protein chính được phát hiện trong máu người nhiễm bệnh Gen tổng hợp kháng nguyên của virus viêm gan B được chuyển vào vi khuẩn E coli, từ đó sản xuất sinh khối lớn, biến E coli thành “nhà máy” sản xuất kháng nguyên cho vaccine.

Mô hình sản xuất vaccine dựa trên thực vật, hay còn gọi là vaccine thực phẩm, có tiềm năng ứng dụng lớn Bằng cách chuyển gen kháng nguyên của virus hoặc vi khuẩn vào tế bào thực vật, thực vật sẽ trở thành nguồn sinh ra kháng nguyên Khi những kháng nguyên này được đưa vào cơ thể người, hệ thống miễn dịch sẽ tự động sản sinh ra kháng thể tương ứng Do đó, thay vì tiêm chủng thông thường, người dân có thể tiêu thụ các loại hoa quả chứa kháng nguyên để nhận được vaccine.

Cải thiện sản xuất công nghiệp các chất quan trọng như Vitamin C là rất cần thiết Phương pháp sản xuất Vitamin C dựa vào thứ tự của các phản ứng hóa học, từ đó tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Glucozo E A KGLC( dikettogluconat) E.B KGUC(ketogluconat) xử lí axit vit C

Vi sinh vật có thể được sử dụng để thực hiện quá trình chuyển hóa, nhưng trong tự nhiên, chưa tìm thấy vi sinh vật nào có cả hai enzyme cần thiết Một số chỉ sản xuất enzyme A, trong khi một số khác chỉ sản xuất enzyme B Tuy nhiên, khi gen mã hóa cho enzyme B được đưa vào vi sinh vật tổng hợp enzyme A, vi sinh vật này có khả năng chuyển hóa hoàn toàn glucose thành KGUL, từ đó rút ngắn thời gian sản xuất vitamin C.