Giáo trình CÔNG NGHỆ TẾ BÀO - Nhà xuất bản Đại học Huế Phần 4 pps

Y X/S hiệu suất sinh trưởng/cơ chất X tế bào trên cơ sở trọng lượng khô Tài liệu tham khảo/đọc thêm 1. Asenjo JA and Merchuk JC. 1995. Bioreactor System Design. Marcel Dekker, Inc. New York, USA. 2. Atkinson B and Mavituna F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. 2 nd ed. Stockton Press, New York, USA. 3. Flickinger MC and Drew SW. 1999. Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation. John Wiley & Sons, New York, USA. 4. Lee JM. 2001. Biochemical Engineering. Prentice Hall, Inc. USA. 5. Shuler ML and Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering-Basic Concepts. 2 nd ed. Prentice Hall, Inc. NJ, USA. 6. Vogel HC and Todaro CL. 1997. Fermentation and Biochemical Engineering Handbook (Principles, Process Design, and Equipment). 2 nd ed. Noyes Publications. New Jersey, USA. Công nghệ tế bào 57 Chương 5 Nuôi cấy tế bào vi sinh vật Mặc dù cho đến thế kỷ 19 vai trò của vi sinh vật trong những biến đổi sinh học vẫn không được thừa nhận, nhưng con người đã sử dụng vi sinh vật từ rất lâu trong việc chế biến thực phẩm, thức uống có cồn, sản xuất sữa, dệt vải Ngày nay, việc sử dụng vi sinh vật rộng rãi hơn trước đây rất nhiều. Chúng không chỉ được dùng trong các quá trình vi sinh vật truyền thống mà còn cho các quá trình mới như sản xuất dược phẩm, hóa chất công nghiệp, enzyme, hóa chất nông nghiệp, xử lý nước thải, lọc khoáng và các công nghệ DNA tái tổ hợp. Chương này chỉ tập trung giới thiệu các ứng dụng của nuôi cấy tế bào vi sinh vật trong sản xuất dược phẩm (đặc biệt là dược phẩm DNA tái tổ hợp) và sản xuất enzyme. I. Tế bào vi sinh vật Tất cả các cơ thể sống được Haekel (1866) phân loại thành giới động vật (animal kingdom), giới thực vật (plant kingdom) và sinh vật đơn bào (protist) như trình bày trong bảng 5.1. Các protist được xem là các cơ thể sống tương đối đơn giản so với thực vật và động vật. Chúng bao gồm tảo, động vật nguyên sinh, nấm và vi khuẩn. Sự phát triển của kính hiển vi điện tử đã cho phép các nhà khoa học thừa nhận rằng cấu trúc đơn vị của tất cả các cơ thể sống được phân chia trong hai loại: sinh vật tiền nhân (prokaryotes) và sinh vật nhân thật (eukaryotes). Các tế bào tiền nhân là đơn vị cấu trúc trong hai nhóm vi sinh vật: vi khuẩn và tảo lam (còn gọi là vi khuẩn lam-cyanobacteria). Các tế bào tiền nhân có kích thước nhỏ và đơn giản như trình bày ở hình 5.1, nó không được chia thành ngăn bởi các hệ thống màng đơn vị (unit membrane systems). Các tế bào chỉ có hai vùng bên trong được phân biệt cấu trúc là: tế bào chất và vùng nhân (hoặc dịch nhân). Tế bào chất có các chấm dạng hạt màu tối chính là thành phần ribosome, bao gồm protein và ribonucleic acid (RNA). Ribosome là nơi xảy ra các phản ứng hóa sinh quan trọng cho sự tổng hợp protein. Vùng nhân có dạng không đều, rất biệt lập mặc dù nó không được giới hạn bởi màng. Vùng nhân chứa deoxyribonucleotic acid Công nghệ tế bào 58 (DNA) mang thông tin di truyền xác định sự sản xuất protein và các chất khác của tế bào cũng như xác định các cấu trúc của nó. Bảng 5.1. Phân loại các cơ thể sống. Động vật Đa bào Thực vật Nhân thật 1 Tảo (Algae) Động vật nguyên sinh (Protozoa) Nấm (Fungi) Nấm mốc (Molds) Nấm men (Yeasts) Nhân thật Đơn bào Sinh vật đơn bào 2 Vi khuẩn (Bacteria) Tiền nhân 3 Thành tế bào Màng tế bào Ribosome Vùng nhân T ế bào chấ t Hình 5.1. Minh họa một tế bào đặc trưng của sinh vật tiền nhân. Các tế bào prokaryote được bao quanh bởi thành tế bào (cell wall) và màng tế bào (cell membrane), thành tế bào thường dày hơn màng tế bào, bảo vệ tế bào khỏi các ảnh hưởng từ bên ngoài. Màng tế bào (hoặc màng tế bào chất) là một hàng rào chọn lọc giữa phần bên trong tế bào và môi 1 Nhân thật: còn gọi là nhân chuẩn. 2 Sinh vật đơn bào: còn gọi là sinh vật nguyên sinh. 3 Tiền nhân: còn gọi là nhân sơ. Công nghệ tế bào 59 trường bên ngoài. Các phân tử lớn nhất được biết đã đi qua màng này là các đoạn DNA và các protein có trọng lượng phân tử thấp. Màng tế bào có thể được gấp lại và mở rộng trong tế bào chất. Màng tế bào như là bề mặt mà trên đó các chất khác của tế bào được gắn vào và giữ nhiều chức năng quan trọng của tế bào. Màng tế bào Lysosome T ế bào chấ t Màng nhân Hạch nhân Nhân Nhiễm sắc thể Khôn g bào Lưới nội sinh chấ t T y th ể Ribosome Hình 5.2. Minh họa một tế bào đặc trưng của sinh vật nhân thật. Các tế bào eukaryote phức tạp hơn, chúng là cấu trúc đơn vị ở động vật, thực vật, protozoa, nấm và tảo. Tế bào eukaryote có các hệ thống màng đơn vị bên trong để tách biệt nhiều thành phần chức năng của tế bào như trình bày ở hình 5.2. Các tế bào eukaryote lớn hơn và phức tạp hơn các tế bào prokaryote từ 1.000-10.000 lần. Nhân được bao bọc chung quanh bởi một màng đôi có các lỗ nhỏ rộng từ 40-70 µm, bên trong nhân chứa các nhiễm sắc thể. Nhân điều hòa các tính chất di truyền và tất cả các hoạt động sống của tế bào. Nhiễm sắc thể dài và là các thể sợi mảnh, chứa các gen sắp xếp trên một chuỗi mạch thẳng trong các nucleoprotein (protein cộng nucleic acid). Tế bào chất chứa một số lớn các hạt gọi là ribosome cần thiết trong các phản ứng liên tục để tổng hợp các nguyên liệu tế bào. Ribosome được tập trung một cách đặc biệt dọc theo bề mặt xù xì của lưới nội sinh chất, một mạng lưới không đều của các kênh nối liền nhau được phân định với màng. Ty thể chứa các enzyme vận chuyển điện tử sử dụng oxygen trong quá trình sản sinh ra năng lượng. Không bào và lysosome là các cơ quan tử giúp cách ly các phản ứng hóa học khác nhau trong tế bào. Công nghệ tế bào 60 II. Vi khuẩn 1. Hình dạng Vi khuẩn là những cơ thể sống đơn bào có kích thước hiển vi. Hiện nay, người ta đã biết được khoảng 1.500 loài trong tất cả môi trường tự nhiên. Đường kính đặc trưng của tế bào vi khuẩn trong khoảng 0,5-1 µm. Chiều dài của vi khuẩn rất khác nhau. Vi khuẩn xuất hiện trong các dạng như sau: cocci (có dạng hình cầu hoặc hình trứng), bacilli (có dạng hình trụ hoặc hình que), spirilla (có dạng cuộn xoắn ốc). 2. Kiểu sinh trưởng Vi khuẩn sinh sản chủ yếu theo phương thức phân đôi (binary fission) như được minh họa trong hình 5.3. Quá trình này bao gồm một số bước sau: kéo dài tế bào, lõm vào của thành tế bào, phân phối nguyên liệu của nhân, bắt đầu hình thành một vách ngăn ngang, phân phối nguyên liệu tế bào vào trong hai tế bào, và phân chia thành hai tế bào mới. Đây là quá trình sinh sản vô tính. 3. Các điều kiện vật lý ảnh hưởng đến sinh trưởng Ba nhân tố vật lý chủ yếu ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi khuẩn là nhiệt độ, oxygen và độ pH. Do sự sinh trưởng và hoạt tính của vi khuẩn biểu thị sự hoạt động của enzyme, và do tốc độ của các phản ứng enzyme tăng lên cùng với việc tăng nhiệt độ, cho nên tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ. Tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ mà chúng sinh trưởng, vi khuẩn sẽ được gọi là psychrophiles 4 , mesophiles 5 hoặc thermophiles 6 . Phạm vi nhiệt độ mà mỗi nhóm có khả năng sinh trưởng và nhiệt độ tối ưu được trình bày trong bảng 5.2. Các khí quan trọng chủ yếu trong nuôi cấy vi khuẩn là oxygen và CO 2 . Có thể chia ra bốn loại vi khuẩn tùy theo sự phản ứng của chúng đối với oxygen như sau: - Vi khuẩn hiếu khí sinh trưởng trong sự có mặt của oxygen tự do. - Vi khuẩn kỵ khí sinh trưởng trong điều kiện không có oxygen tự do. 4 Psychrophiles: vi khuẩn ưa lạnh (dưới -20 o C). 5 Mesophiles: vi khuẩn ưa nhiệt trung bình. 6 Thermophiles: vi khuẩn ưa nhiệt độ cao. Công nghệ tế bào 61