Tổng quan về công nghệ sinh học

1. Cơ sở phân loại CNSH, phân tích vai trò của công nghệ DNA trong CNSH hiện đại. Liên hệ tình hình nghiên cứu, ứng dụng CNSH ở VN: a. K/n: CNSH là các quá trình SX ở quy mô công nghiệp, có sự tham gia của các tác nhân sinh học (ở mức độ cơ thể, TB hoặc dưới TB) dựa trên các thành tựu tổng hợp của nhiều bộ môn khoa học, phục vụ cho việc tăng của cải vật chất của XH và bảo vệ lợi ích của con người. b. Cơ sở phân loại CNSH: - Tùy theo cách nhìn khác nhau mà CNSH được phân loại theo kiểu khác nhau. - Xét về tác nhân sinh học tham gia, CNSH được chia thành: + CNSH thực vật. + CNSH động vật. + CNSH vi sinh vật. + CNSH enzyme hay công nghệ enzyme. - Gần đây, đối với các tác nhân sinh học dưới TB còn hình thành khái niệm công nghệ protein và công nghệ gene. - Có thể phân loại dựa trên đối tượng phục vụ của chúng: + CNSH nông nghiệp. + CNSH y tế. + CNSH môi trường. + CNSH năng lượng. + CNSH vật liệu. + CNSH chế biến thực phẩm. + CNSH hóa học. - Ngoài ra, có thể chia CNSH thành 2 nhóm: + CNSH truyền thống. + CNSH hiện đại. c. Vai trò của công nghệ DNA trong CNSH hiện đại: - Cốt lõi của CNSH hiện đại là kỹ thuật di truyền hoặc công nghệ gen. Công nghệ gen bao gồm những kỹ thuật thực hiện trên acid nucleic, nhằm nghiên cứu cấu trúc gen, điều chỉnh, biến đổi gen, tách và tổng hợp, chuyển gen mong muốn vào TB sinh vật chủ nhằm tạo ra cơ thể mới, mang đặc tính mới. - Để thực hiện được kỹ thuật di truyền hay thao tác gen, cần phải sử dụng DNA tái tổ hợp. Vì thế, công nghệ DNA tái tổ hợp là công nghệ chìa khóa cho kỹ thuật di truyền. Ví dụ: Tạo chế phẩm insulin … d. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng CNSH ở VN: - VN là 1 nước nông nghiệp đang cố gắng công nghiệp hóa và hiện đại hóa, trong đó cách mạng tin học và cách mạng CNSH giữ vai trò động lực. - Nhận thức vai trò của CNSH đối với sự phát triển kinh tế xã hội ở nước ta trong thế kỷ 21. Chính phủ VN đã công bố nghị quyết 18/CP ngày 11/4/1994 về” Phương hướng phát triển của CNSH ở VN đến 2010”. Đối với sự phát triển của CNSH ở VN thì đây là 1 bước ngoặt cực kỳ quan trọng. - CNSH ở VN còn có nhiều điểm yếu trong cuộc cạnh tranh quốc tế, trước hết là ĐNÁ, như + Cơ sở SH, trước hết là SHPT còn quá ít về trang thiết bị và đội ngũ cán bộ. Điều này ảnh hưởng đến việc tiếp thu và phát triển CNSH, nhất là bộ fan trung tâm của CNSH là công nghệ gene. + Vn đã có 1 số ngành công nghiệp SH như CN mỳ chính, CN rượu bia vv… nhưng các công nghiệp SH khác chưa phát triển và không có tư thế có thể cạnh tranh được. + Ngành di truyền giống ở cả TV, ĐV, VSV có được duy trì nhưng không phát triển được, chỉ dừng lại ở việc chọn các giống thích hợp với đk từng vùng từ các sản phẩm di truyền và giống chủng của nước ngoài. Rất ít có sáng tạo của các đơn vị khoa học VN trong công tác giống. - Cần khoảng 10 năm cho việc chuyển giao công nghệ và cải tiến để về cơ bản trình độ khoa học công nghệ và SX CNSH ở VN ngang tầm với mức phát triển châu Á - Muốn rút ngắn các giai đoạn này, thì phải XD đội ngũ cán bộ CNSH trong nước, đi đôi với đầu tư có trọng điểm và dứt điểm vào các mục tiêu đã chọn lựa đúng đắn và khách quan. - VN là nước có nền CNSH truyền thống phát triển cao từ nhiều thế kỷ và có nhiều sản phẩm CNSH nổi tiếng như rượu làng Vân, tương bần Yên Nhân, nước mắm Phú Quốc vv… Nhiệm vụ của CNSH hiện đại là tìm hiểu và nâng cao CNSH truyền thống lên những bước phát triển mới. 2. Một số thành tựu công nghệ VSV trong y tế, nông nghiệp và bảo vệ môi trường khỏi ô nhiễm. a. Thành tựu trong y tế: Tình hình sức khỏe của nhân loại đang ở trong tình trạng rất đáng lo ngại. Hẫu như lúc nào cũng có khoảng 1/3 nhân loại ở trong trạng thái đau ốm, luôn phải đối mặt với dịch bệnh, mà hiện nay là dịch cúm H1N1. Vì vậy, vấn đề tìm thuốc trị bệnh, nhất là bệnh nan y đang được đặt ra rất cấp bách. Công nghệ vi sinh đã góp phần quan trọng trong việc tìm kiếm nhiều loại dược phẩm quan trọng. - Vaccine thế hệ mới: + Trong những nằm gần đây, con người đã tạo ra nhiều vaccine thế hệ mới như vaccine ribosome, vaccine kỹ thuật gen, vaccine chế tạo từ các thành phần của virus. + Vaccine thế hệ mới có những ưu điểm sau: ++ Rất an toàn vì không sử dụng VSV gây bệnh. ++ Giá thành hạ vì không cần nuôi virus trên phôi gà hay các tổ chức mô vốn phức tạp và tốn kém, giảm bớt chi phí vận chuyển và kiểm tra tính an toàn trước khi sử dụng… +Vaccine ribosome: cấu tạo từ các ribosome của từng loại VK gây bệnh, có ưu điểm là ít độc, tính miễn dịch cao. + Vaccine các mảnh của virus: là vaccine chế tạo từ glycoprotein của vỏ virus gây bệnh như virus cúm… + Vaccine kỹ thuật gen: là vaccine chế tạo từ VK hay nấm men tái tổ hợp, có mang gen mã hóa việc tổng hợp protein kháng nguyên của 1 virus hay VK gây bệnh nào đó. - Insulin: + Ban đầu, người ta có thể tổng hơp insulin trực tiếp bằng cách chiết từ tụy tạng bò, để có 100g insulin cần có 4000 - 5000 con bò. Do đó giá thành rất cao. Năm 1978, H.Boger lần đầu tiên bằng kỹ thuật di truyền thông qua VK E.Coli đã thu nhận được một lượng lớn insulin. Cụ thể người ta đã chueyern gen chi phối tính trạng tạo insulin của người sang E.Coli. Với E.Coli đã tái tổ hợp được gen này, qua nuôi cấy ở nồi lên men có dung tích 1000 lít, sau 1 thời gian ngắn có thể thu được 200 gam insulin, tương đương lượng insulin chiết rút từ 8000 -10000 con bò. Điều này đã chứng minh một điều hết sức mới mẻ và lý thú: gen của con người có thể làm việc 1 cách có hiệu quả trong bộ gen VSV. - Interferon: + Interferon có bản chất là protein, là yếu tố miễn dịch không đặc hiệu, giúp cơ thể chống lại nhiều loại bệnh. + Thông thường, để chiết rút interferon người ta phải tách chiết từ huyết thanh của máu nên rất tốn kém. + Bẳng phương pháp tương tự insulin, hiện nay người ta đã có thể thu nhận được 1 lượng lớn interferon thông qua các cơ thể VSV đã được tái tổ hợp gen để phục vụ cho việc điều trị các bệnh nhiễm trùng. - Kích tố sinh trưởng HGH (Human growth hoormone): + HGH được tuyến sinh ra. Muốn có chế phẩm này, người ta phải trích ly nó từ tuyến yên của tử thi. Mỗi tử thi cho được từ 4 - 6 mg HGH. Theo tính toán, muốn chữa khỏi cho 1 người lùn cần lượng HGH thu được từ 100 - 150 tử thi, điều này là một trở ngại đáng kể khi chữa trị chứng lùn trẻ em. + Đến năm 1983, người ta đã thành công trong việc thu nhận một lượng lớn HGH từ VK E.Coli đã được tái tổ hợp gen (từ 1 lít dịch lên men của E.Coli thu được lượng HGH tương đương với lượng chất này thu được từ 60 tử thi). - Chất kháng sinh: + KS là 1 trong những thuốc được công nghệ VSV sản xuất từ lâu. Hiện nay, đã tìm được hơn 2500 loại KS với cấu trúc phân tử rất đa dạng, trong đó chủ yếu là các KS có nguồn gốc từ VSV. + Trong giai đoạn phát triển mới của công nghệ vi sinh, người ta cố gắng nâng năng suất tạo KS lên gấp hàng trăm lần so với chủng VSV gốc thông qua việc gây đột biến hay tạo môi trường tối ưu cho sự tạo thành KS của các chủng VSV. + Ngoài ra, người ta cũng sử dụng kỹ thuật di truyền nhằm mục đích tạo ra các chủng VSV có khả năng sinh KS mới có phổ tác dụng rộng, chống được các VSV đã nhờn thuốc. b. Thành tựu trong nông nghiệp - Cải tạo giống cây trồng: + Thông qua kỹ thuật di truyền với sự hỗ trợ của VSV, con người đã và đang tạo ra những cơ thể thực vật có những đặc tính quý báu: chống chịu rầy nâu, thuốc diệt cỏ vv… + Ví dụ: khi sử dụng hecbixit phun diệt cỏ cho cây đậu tương, người ta nhận thấy 1 số cỏ đã quen (nhờn) thuốc không chết mà cây trồng lại bị chết vì thuốc diệt cỏ. Do đó, các nhà khoa học quyết định tìm gen chịu trách nhiệm về tính bền vững với hecbixit của cỏ dại để chuyển sang cây trồng và đã tạo ra được cây đậu tương chịu được thuốc diệt cỏ hecbixit. - Tạo chế phẩm thuốc trừ sâu có nguồn gốc từ VSV: + Để bảo vệ cây trồng chống lại các dịch bệnh, con người đã và đang phải sử dụng các thuốc trừ sâu hóa học. Đó là những hợp chất hữu cơ phần lớn có chứa Cl, P. Điều này khiến cho môi trường sống ngày càng bị đầu độc, ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng. + Do đó, con người phải tìm hướng sử dụng các chế phẩm VSV để thay thế cho thuốc hóa học độc hai mà vẫn trừ được sâu bệnh cho cây. Những chế phẩm này hoàn toàn vô hại đối với con người, ĐV, gia súc, gia cầm (trừ tằm nuôi). Và hiện nay đã có rất nhiều chế phẩm VSV được sản xuất như: Thuricide (Mỹ), Bathurin (Tiệp Khắc cũ) vv… - Phân bón cho cây trồng: + Phân VSV cố định đạm: Các loại phân VK nốt sần - VK Rhizobium cộng sinh với cây họ đậu, chế phẩm Azotobacterin từ VK cố định đạm sống tự do Azotobacter được sử dụng để tăng nguồn đạm, kích thích sinh trưởng, tăng tỷ lệ nảy mầm của hạt. + Phân phức hợp hữu cơ vi sinh Phytohormone: đây là loại phân mà ngoài thành phần các hợp chất hữu cơ mùn cao cấp, các hợp chất hữu cơ chuyên dùng còn có hỗn hợp VSV cố định đạm và các VSV phân giải lân, cellulo tạo mùn và các VSV sinh các chất có hoạt tính sinh học cao như KS, amino acid, vitamin. Việc sử dụng phân phức hợp VSV liên tục trong thời gian dài có tác dụng phục hồi chất lượng của đất, hạn chế hiện tượng rửa trôi chất dinh dưỡng, chống xói mòn, chai cứng của đất. Do đó bảo vệ môi trường sinh thái bền vững. - Chế phẩm VSV hữu hiệu EM(Effective MicroOrganisms) + Chế phẩm EM có chứa khoảng 80 loài VSV, gồm các nhóm: VK lactic, VK quang hợp, nấm men, nấm mốc, XK. Các VSV này có nguồn gốc tự nhiên. + Chế phẩm EM có các tác dụng: ++ Cải thiện môi trường lý, hóa, sinh của đất và tiêu diệt các tác nhân gây hại. ++ Tăng khả năng quang hợp của cây trồng. ++ Thúc đẩy khả năng nẩy mầm, ra hoa, kết quả và làm chín ở TV. ++ Giúp xử lý ô nhiễm môi trường. c. Thành tựu trong bảo vệ môi trường khỏi ô nhiễm: - Giải quyết vấn đề năng lượng Nguồn năng lượng truyền thống (than đá, thủy điện, dầu khí) ngày càng cạn kiệt. Công nghệ VSV đã bổ sung nguồn năng lượng mới: ++ Cồn (cồn ethanol): được SX nhờ sự lên men rượu từ các nguyên liệu rẻ tiên như dịch thủy phân của gỗ và cellulo, đường và rỉ đường vv… ++ Khí sinh học (biogas): được sinh ra do quá trình lên men các phụ, phế phẩm nông nghiệp, các loại rác giàu cellulo cùng với phân, nước tiểu của người, gia súc, gia cầm vv… Nguyên lý của quá trình SX này là sự phân giải yếm khí của khu hệ VSV lên men methane. Qua quá trình lên men người ta thu khí biogas, cặn bã ở bể lên men được dùng làm phân bón. Kết quả đã giải quyết được 2 vấn đề là: tăng nguồn năng lượng và xử lý rác, phế thải, bảo vệ môi trường không bị ô nhiễm. - Bảo vệ môi trường, tạo cân bằng sinh thái: Công nghệ VSV đã tích cực tham gia giải quyết 1 số vấn đề thuộc lĩnh vực này nhằm giúp con người như lợi dụng thuộc tính quý báu của VSV có khả năng đồng hóa các nguồn cơ chất phong phú từ các dạng hydrocacbon đến các dạng cellulo, cao su và dẫn xuất của cao sư vv…để thực hiện quá trình xử lý các loại nước thải và chất thải. Khi phân giải các chất thải, qua quá trình hoạt động hiếu khí và kị khí VSV đã chuyển hóa chúng thành những hợp chất có cấu trúc đơn giản, dễ phân hủy và còn tạo được 1 nguồn sinh khối giàu protein, khoáng, vitamin vv… KQ các quá trình xử lý này góp phần làm cho môi trường sống trong sạch hơn, tạo sự cân bằng sinh thái. . đơn vị khoa học VN trong công tác giống. - Cần khoảng 10 năm cho việc chuyển giao công nghệ và cải tiến để về cơ bản trình độ khoa học công nghệ và SX CNSH. nghệ enzyme. - Gần đây, đối với các tác nhân sinh học dưới TB còn hình thành khái niệm công nghệ protein và công nghệ gene. - Có thể phân loại dựa trên đối