Nhập môn công nghệ sinh học
Trang 1MỤC LỤC
Trang
Phần I CÁC KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN 5
I Định nghĩa công nghệ sinh học 6
1.1 Công nghệ sinh học truyền thống 7 1.2 Công nghệ sinh học hiện đại 7
2 Nội dung khoa học của công nghệ sinh học 7
3 Các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ sinh học 9 3.1 Công nghệ sinh học trong nông nghiệp 9 3.2 Công nghệ sinh học trong y dược 10 3.3 Công nghệ sinh học công nghiệp và chế biến thực phẩm 10 3.4 Công nghệ sinh học môi trường 11
II Sơ lược lịch sử hình thành công nghệ sinh học 12
III Một số khía cạnh về khoa học và kinh tế của công nghệ sinh
học hiện đại
15
2.1 Những công ty đa quốc gia về công nghệ sinh học 16 2.2 Sự lệ thuộc vào các công ty đa quốc gia về công nghệ
sinh học
16
IV Các vấn đề pháp lý của công nghệ sinh học hiện đại 17
1.1 Sự chuyển gen bằng hạt phấn 18 1.2 Sự bền vững của DNA ở trong đất 19
Trang 21.3 Chuyển gen ngang từ thực vật vào vi sinh vật đất 20 1.4 Chuyển gen từ thực vật vào virus 21
2.2 Đánh giá độ an toàn của các thực phẩm 24
4 Quyền tác giả và sở hữu trí tuệ 27
1 Tách các đoạn DNA từ genome 32
2 Sinh tổng hợp cDNA từ mRNA 33
3 Phân lập đoạn DNA bằng phương pháp PCR 33 III Tạo dòng (gắn) đoạn DNA/gen vào vector 36
2 Các vector được dùng để tạo dòng các đoạn DNA 38
2.2 Bacteriophage vector 42
4 Biến nạp vector tái tổ hợp vào vi khuẩn/tế bào vật chủ 47
IV Chọn dòng mang DNA tái tái tổ hợp 48
1 Lai khuẩn lạc và vết tan 49
2 Khử hoạt tính bằng chèn đoạn 50
Trang 3V Biểu hiện gen được tạo dòng 52
2 Xác định mức độ biểu hiện của gen được tạo dòng 55
Chương 3 CÔNG NGHỆ LÊN MEN VI SINH VẬT 59
II Sinh trưởng của vi sinh vật 59 III Sinh khối vi sinh vật và công nghệ lên men 64
IV Các sản phẩm lên men vi sinh vật 68
2.1 Các loại enzyme vi sinh vật 72 2.2 Sinh tổng hợp enzyme cảm ứng 75 2.3 Những phương pháp nuôi cấy vi sinh vật để sản xuất
enzyme
76
2.4 Tách và tinh sạch chế phẩm enzyme 82
V Công nghệ tái tổ hợp vi sinh vật 89
1 Các vi sinh vật tái tổ hợp 90
2 Các ứng dụng trong công nghệ vi sinh 90
Trang 4
Chương 4 CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC VẬT 93
II Nuôi cấy mô và nhân giống in vitro 94
1.1 Nuôi cấy đỉnh phân sinh 95
1.5 Phát sinh phôi vô tính 96
2 Nhân giống in vitro và các hệ thống nuôi cấy mô 96 2.1 Tái sinh cây mới từ các cấu trúc sinh dưỡng 97 2.2 Nhân giống thông qua giai đoạn callus 101 2.3 Nhân giống thông qua phát sinh phôi vô tính-công nghệ
hạt nhân tạo
102
3 Các giai đoạn trong quy trình nhân giống vô tính in vitro 107
3.2 Giai đoạn II-nhân nhanh 108 3.3 Giai đoạn III-chuẩn bị và đưa ra ngoài đất 110
4 Nhân giống in vitro và việc sử dụng giống ưu thế lai 110
5 Nhân giống in vitro và các đặc điểm không di truyền 111 5.1 Hiện tượng các đặc điểm epigenetic được lưu lại 111 5.2 Hiện tượng các đặc điểm epigenetic không lưu lại 112 III Các kỹ thuật chuyển gen ở thực vật 112
1 Biến nạp gián tiếp thông qua Agrobacterium 114
1.1 Vi khuẩn Agrobacterium 114
1.4 Chuyển DNA ngoại lai vào tế bào và mô thực vật nhờ
Agrobacterium tumefaciens
117
2 Các gen chỉ thị chọn lọc và gen chỉ thị sàng lọc 119
Trang 54 Các ứng dụng của công nghệ chuyển gen 123 4.1 Một số kết quả bước đầu 123 4.2 Triển vọng và hướng phát triển 124
5 Công nghệ di truyền trong kháng chất diệt cỏ 125
6 Công nghệ di truyền trong kháng sâu-bệnh 126
6.2 Kháng các virus thực vật 127
6.4 Kháng các bệnh vi khuẩn 130
IV Sản xuất các dược liệu sinh học 130
Tài liệu tham khảo/đọc thêm 138
Chương 5 CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỘNG VẬT 140
II Nuôi cấy tế bào động vật có vú 141
1 Các ưu điểm và hạn chế của nuôi cấy tế bào động vật 141 1.1 Các ưu điểm của nuôi cấy tế bào động vật 141 1.2 Một số hạn chế của nuôi cấy tế bào động vật 143
2 Các dòng tế bào động vật có vú và các đặc điểm của nó 143 2.1 Các tế bào dịch huyền phù 143
3 Các sản phẩm thương mại của nuôi cấy tế bào động vật có
vú
144
5 Môi trường nuôi cấy tế bào động vật có vú 147
6 Nuôi cấy tế bào động vật có vú trên quy mô lớn 149
Trang 66.1 Các điều kiện chung 149
6.3 Nuôi cấy mẻ có cung cấp chất dinh dưỡng 152 6.4 Nuôi cấy thể ổn định hóa tính 152
6.6 Số lượng và chất lượng sản phẩm 156 III Công nghệ di truyền của các tế bào động vật có vú 158
1 Các phương pháp chuyển nạp gen 159 1.1 Phương pháp chuyển nhiễm 159 1.2 Phương pháp lipofection 159 1.3 Phương pháp xung điện 160
1.5 Phương pháp dùng súng bắn gen 163 1.6 Phương pháp dùng các vector virus 163
2 Các điều kiện cần thiết cho biểu hiện gen ngoại lai 165
3 Các điều kiện thực nghiệm tối ưu 167
4 Đồng chuyển nạp gen chỉ thị và gen thực nghiệm 167
5 Kỹ thuật tế bào mầm phôi, chuyển gen và tái tổ hợp tương
đồng
169
IV Nuôi cấy tế bào mầm để sản xuất cơ quan người 171
1 Ứng dụng tế bào mầm phôi trong nghiên cứu cơ bản 172
2 Nghiên cứu chức năng gen 173
3 Nghiên cứu các mô hình bệnh lý 173
4 Ứng dụng trong y học tái tạo 173
V Công nghệ phôi động vật có vú 175
3 Nuôi cấy tạm thời phôi trong cơ thể sống 176
4 Kỹ thuật bọc phôi bằng agar 176
5 Kỹ thuật nuôi cấy tạm thời phôi trong ống dẫn trứng 176
VI Nhân bản vô tính động vật có vú 177
Trang 72 Nhân bản vô tính ở động vật 177
3 Nhân bản vô tính cừu Dolly 178 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 181
2 Xác định cấu trúc và mô hình hóa 185
5 Thiết kế trình tự de novo 190
IV Một số ứng dụng của công nghệ protein 192
1.3 Các tá dược vaccine mới 193
2.2 Trao đổi các vùng protein 195
3 Sắp xếp lại toàn bộ protein 196
4 Các tương tác protein-phối tử 197
4.2 Các chất chủ vận hormone 197 4.3 Thay thế các liên kết đặc hiệu 197
V Sản xuất protein trên quy mô lớn 198
1 Lên men E coli tái tổ hợp 199
3 Các enzyme vi sinh vật thay thế các enzyme thực vật 200
Trang 84 Các nguyên tắc hóa sinh cơ bản 201
VI Các quá trình tách chiết và tinh sạch protein 207
1.1 Thu hồi các protein ngoại bào 209 1.2 Thu hồi các protein nội bào 209
2.1 Loại bỏ các mảnh vỡ của tế bào 216
2.3 Ly tâm dòng chảy liên tục 217
3 Hệ phân tách hai pha nước 218
4 Các phương pháp kết tủa 220 4.1 Kết tủa bằng ammonium 220 4.2 Kết tủa bằng các dung môi hữu cơ 220 4.3 Kết tủa bằng các polymer khối lượng phân tử cao 221
5.4 Sắc ký tương tác kỵ nước 230 5.5 Các kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu suất cao 230
7 Thiết kế các protein để tinh sạch 232
Tài liệu tham khảo/đọc thêm 236
Trang 9
Phần II CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC 237
Chương 7 CÁC ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP 238
II Cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng 238
1 Nhân giống vô tính in vitro 239
2 Sản xuất cây đơn bội in vitro 240
2.1 Phương pháp tạo thể đơn bội in vivo 240
2.2 Phương pháp tạo thể đơn bội in vitro 241
3 Dung hợp protoplast hay lai vô tính tế bào thực vật 241 3.1 Dung hợp protoplast bằng hóa chất 242 3.2 Dung hợp protoplast bằng điện 242
5 Chuyển gen vào cây trồng 244
1 Kỹ thuật cấy chuyển phôi 250
2 Tạo chế phẩm phòng tránh bệnh cho động vật 250
3 Chuyển gen vào động vật 251
3 Sản xuất nước uống lên men 257
Trang 103.2 Sản xuất rượu vang 259
4 Các sản phẩm chứa protein 265 4.1 Thực phẩm lên men truyền thống giàu protein 265 4.2 Protein vi khuẩn đơn bào 265
Tài liệu tham khảo/đọc thêm 268
1 Các phương thức tiêm chủng vaccine hiện nay 271
1.2 Các vaccine sống nhược độc 272
2 Vai trò của công nghệ di truyền trong nhận dạng, phân tích
và sản xuất vaccine
272
2.1 Nhận dạng và tạo dòng các kháng nguyên có tiềm năng
vaccine
272
2.2 Phân tích các kháng nguyên vaccine 273 2.3 Sản xuất các vaccine tiểu đơn vị 274
3 Cải thiện và sản xuất các vaccine sống nhược độc mới 275 3.1 Cải thiện các vaccine sống nhược độc 275 3.2 Các vector sống tái tổ hợp 275
4 Các hướng tiếp cận khác trong sản xuất vaccine 278
4.3 Kháng các kiểu gen cá thể 279
1 Sản xuất hybridoma bằng cách dung hợp tế bào sinh dưỡng 280
2 Sản xuất kháng thể đơn dòng bằng công nghệ DNA tái tổ
hợp
281 2.1 Phân lập các gen immunoglobulin 281
Trang 112.2 Biểu hiện scFV trên bề mặt bacteriophage 282
3 Kháng thể đơn dòng trong nghiên cứu Sinh-Y 282
4 Kháng thể đơn dòng trong chẩn đoán và điều trị bệnh 283
1.2 Liệu pháp gen tế bào mầm 285
2 Các ứng dụng của liệu pháp gen trong chữa bệnh 286 2.1 Bệnh thiếu hụt miễn dịch phối hợp trầm trọng 286
2.3 Bệnh thiếu máu hồng cầu liềm 288
1.1 Hormone sinh trưởng người 292
3 Sản xuất thuốc nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp 293
VI Chẩn đoán bệnh để can thiệp sớm 296
1 Chẩn đoán sớm giới tính của thai 296
2 Chẩn đoán sớm dị hình, quái thai trước khi sinh 297
3 Chẩn đoán phát hiện các tác nhân gây bệnh ngoại lai 298
4 Chẩn đoán các bệnh di truyền 299
Tài liệu tham khảo/đọc thêm 301
Chương 9 CÁC ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG 302
Trang 12II Xử lý nước thải 302
1 Xử lý hiếu khí bằng hệ thống bùn hoạt tính 303
1 Loại bỏ các hợp chất vô cơ dễ bay hơi 311
2 Loại bỏ các hợp chất sulphur và nitrogen từ khí ống khói
bằng phương pháp sinh học
315
1 Kích thích sinh học và tăng sinh học 317
2 Các kỹ thuật phân hủy chất rắn 318 2.1 Phân hủy sinh học tại chỗ 318
2.3 Các bể phản ứng sinh học pha bùn 319
2 Sự suy giảm tự nhiên và sự giám sát 322 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 323
Tài liệu tham khảo/đọc thêm 355