Là sự sinh trưởng mà trong suốt quá trình đó sự nhân đôi sinh khối xảy ra cùng với sự nhân đôi của tất cả các đặc tính xác định khác của quần thể như là protein, DNA, RNA và nước nội bào[r]
(1)(2)Lời nói đầu
Công nghệ tế bào phận quan trọng công nghệ sinh học, chủ yếu nghiên cứu
q trình ni cấy tế bào động-thực vật vi sinh vật để sản xuất sinh khối, sản xuất hợp chất có
hoạt tính sinh học (enzyme, vaccine, chất thứ cấp…), để làm mơ hình thực nghiệm khảo sát tác động hoá chất, làm nguyên liệu ghép tế bào quan…
Mặc dù, kỹ thuật nuôi cấy tế bào phát triển vào nửa đầu kỷ 20, đến
cácứng dụng chúng có bước tiến vượt bậc nhờ đóng góp cơng nghệ DNA tái tổ
hợp
Bên cạnh giáo trình như: sinh học phân tử, nhập mơn cơng nghệ sinh học, công nghệ DNA
tái tổ hợp, công nghệ chuyển gen… giáo trình cơng nghệ tế bào giúp sinh viên tiếp cận thêm
lĩnh vực khác công nghệ sinh học thông qua việc cung cấp kiến thức vấn đề
sau:
- Sinh trưởng động học sinh trưởng tế bào - Thiết kế hệ lên men
- Nuôi cấy tế bào cácứng dụng chúng
Giáo trình cơng nghệ tế bào biên soạn theo hướng khảo sát trình sinh học mang
tính cơng nghệ nhiều trình lên men ứng dụng cho tế bào vi sinh vật, lẫn tế bào
động-thực vật thiết bị ni cấy (bioreactor/fermenter) Do đó, số ứng dụng khác
kỹ thuật nuôi cấy mơ tế bào nói chung chúng tơi khơng đưa vào giáo trình
Lĩnh vực cơng nghệ tế bào rộng đa dạng, giáo trình xuất lần nên khó tránh khỏi thiếu sót chưa đáp ứng u cầu bạn đọc Vì thế, chúng tơi
mong nhận nhiều ý kiến đóng góp để lần xuất sau hoàn thiện
(3)3 Chương 1
Mở đầu
I Công nghệ sinh học
Đến có nhiều định nghĩa cách diễn đạt khác công nghệ sinh học tùy theo tác giả tổ chức Tuy nhiên, cơng nghệ sinh học (biotechnology) định nghĩa
một cách tổng quát sau:
“Cơng nghệ sinh học q trình sản xuất quy mô công nghiệp mà nhân tố tham gia
trực tiếp định tế bào sống (vi sinh vật, thực vật động vật) Mỗi tế bào sống thể sinh vật hoạt động lĩnh vực sản xuất xem lị phản ứng nhỏ”
Nếu cơng nghệ sinh học định nghĩa theo hướng khơng thể thừa nhận lĩnh vực khoa học Bởi vì, từ xa xưa lồi người biết sử dụng vi sinh vật để lên men bánh mì thực phẩm, cho dù họ chế biến đổi sinh học
Loài người biết từ lâu việc lai tạo động vật thực vật để cải thiện suất vật nuôi trồng tốt Vì thế, cơng nghệ sinh học định nghĩa xem công nghệ
sinh học truyền thống
Tuy nhiên, năm gần thuật ngữ công nghệ sinh học thường sử dụng nhằm đề cập đến kỹ thuật DNA tái tổ hợp dung hợp tế bào, xem lĩnh vực công
nghệ sinh học đại
1 Công nghệ DNA tái tổ hợp (DNA recombinant technology)
Là kỹ thuật cho phép thao tác trực tiếp nguyên liệu di truyền tế bào riêng biệt, có
thể sử dụng để phát triển vi sinh vật sản xuất sản phẩm thể hữu ích
khác Những kỹ thuật gọi kỹ thuật di truyền (genetic engineering), công nghệ di
truyền (genetic technology), thao tác gen (gene manipulation), kỹ thuật gen (gene engineering) hay công nghệ gen (gene technology) Mục tiêu cơng nghệ DNA tái tổ hợp gắn gen
ngoại lai (foreign gene) mã hóa cho sản phẩm mong muốn vào dạng DNA mạch vịng
(plasmid vector) sau đưa chúng vào thể vật chủ, cho gen ngoại lai biểu
hiện để sản xuất sản phẩm từ thể
2 Dung hợp tế bào (cell fusion)
Là trình hình thành tế bào lai đơn (single hybrid cell) với nhân tế bào chất từ hai loại
tế bào riêng biệt để tổ hợp đặc điểm mong muốn hai loại tế bào Chẳng hạn, tế bào
đặc biệt hệ thống miễn dịch sản xuất kháng thể hữu ích Tuy nhiên, tế bào
thường khó ni cấy tốc độ sinh trưởng chúng chậm Mặt khác, tế bào khối u định có đặc điểm phân chia nhanh Bằng cách dung hợp hai tế bào này, tế bào lai hybridoma tạo mang hai tính trạng Các kháng thể đơn dòng (monoclonal antibodies-Mabs) sản xuất từ tế bào lai,được dùng để chẩn đoán, điều trị bệnh tinh
(4)protein
3.Ứng dụng công nghệ sinh học đại
Cácứng dụng công nghệ sinh học đại nhiều (Bảng 1.1) Các dược phẩm
đắt triền trước insulin để chữa bệnh đái tháo đường, hormone sinh trưởng người để điều trị
bệnh còi trẻ em, interferon để chống viêm nhiễm, vaccine phòng bệnh kháng thể đơn dòng
dùng để chẩn đốn sản xuất tế bào biến đổi di truyền tế bào lai rẻ tiền với số lượng lớn Các giống bệnh khoẻ mạnh hơn, vật ni dùng làm thực
phẩm có sản lượng cao phát triển, lồi trồng quan trọng biến đổi di
truyền để có tính trạng chống chịu stress, chống chịu chất diệt cỏ kháng côn trùng Hơn nữa,
công nghệ DNA tái tổ hợp ứng dụng để phát triển vi sinh vật biến đổi di truyền
(genetically modification) cho chúng sản xuất hợp chất hóa học khác với sản lượng cao vi sinh vật bình thường
(5)5 II Công nghệ tế bào
Các công nghệ DNA tái tổ hợp dung hợp tế bào khởi đầu nghiên cứu
túy kết cuối phát triển thành loại tế bào sản xuất sản phẩm với
số lượng ỏi qui mơ phịng thí nghiệm Tuy nhiên, kết nói lại có ý nghĩa thương mại
và địi hỏi phải phát triển thành quy trình cơng nghiệp với cơng nghệ khả thi có hiệu
quả kinh tế Để phát triển q trình sản xuất quy mơ phịng thí nghiệm thành quy trình cơng nghiệp lớn, khơng thể đơn tăng kích thước bình ni cấy (vessel) lên
Ví dụ: Ở quy mơ phịng thí nghiệm 100 mL, bình tam giác nhỏ nuôi máy lắc
phương thức lý tưởng để nuôi cấy tế bào Nhưng hoạt động quy mô lớn 2.000 L,
khơng thể sử dụng bình ni khác tích lớn lắc nó, mà cần phải thiết kế hệ lên men (fermenter) hay gọi nồi phản ứng sinh học (bioreactor) hiệu để nuôi cấy tế bào điều kiện tối ưu Vì thế, cơng nghệ tế bào (một lĩnh vực cơng nghệ
(6)sinh tổng hợp protein
RNA thông tin (messenger RNA, mRNA) Một ba loại RNA tham gia vào tổng hợp protein Loại có mang thơng tin mã hóa trình tự nucleotide để xác định trình tự amino acid polypeptide
RNA vận chuyển (transfer RNA, tRNA) Một ba loại phân tử RNA sinh quá trình phiên mã tham gia vào việc tổng hợp protein: RNA vận chuyển đưa amino acid đến ribosome vào chúng ghép với thông tin mRNA
Sắc ký (chromatography).Thuật ngữ sắc ký để kỹ thuật phân tích điều chế cho phép tách biệt hợp phần khác hỗn hợp Phép phân tích sắc ký dựa vào di chuyển khác pha động chất hòa tan gắn pha tĩnh trạng thái rắn Người ta thường chọn chất có khả kết gắn với chất (hòa tan) định phân tách làm pha tĩnh Tương tác chất hịa tan pha tĩnh tương tác hấp phụ, tương tác ion (trao đổi ion), tương tác kỵ nước, tương tác kiểu rây phân tử tương tác đặc hiệu sinh học
Sinh khối (biomass).Tổng khối lượng khô tất chất sống đơn vị diện tích thể tích
Sinh trưởng cân (balanced growth) Là sinh trưởng mà suốt q trình sự nhân đôi sinh khối xảy với nhân đôi tất đặc tính xác định khác quần thể protein, DNA, RNA nước nội bào
Sự tái bản hay chép (replication) Sự tổng hợp phân tử DNA xoắn kép giống với phân tử DNA mẹ
Tạo dòng gen (gene cloning) Còn gọi nhân dòng hay tách dòng gen, sản sinh nhiều phân tử DNA, thường phân tử DNA tái tổ hợp, cách chép phân tử vật chủ thích hợp
Tái tổ hợp (recombination) Q trình nhiễm sắc thể hay phân tử DNA đứt các phần đứt nối lại theo tổ hợp Q trình xảy tế bào sống (qua trao đổi chéo phân bào giảm nhiễm) hay ống nghiệm nhờ enzyme cắt nối DNA
Tầng nuôi dưỡng (feeder layer) hay tế bào nuôi dưỡng (nurse cells) Lớp tế bào cóthể bị
chiếu xạ làm mấtkhả phân bào trải bên dướiđểcung cấp số chất cần thiết cho lớp tế bàokhác nuôi bên
Tế bào lai (hybrid cell) Làtế bàocómột nhân đượchìnhthành sau dung hợp hai tế bào dẫn
đến hìnhthành nhân hỗn hợp
Tế bào mầm phôi (embryonic stem cell) Tế bào phơi chưa biệt hóa, nuôi cấy thời gian dài mà giữ tính đa thể (nghĩa khả biệt hóa theo nhiều hướng khác nhau)
Thành tế bào (cell wall) Được cấu tạo carbohydrate tự nhiên (cellulose và hemicellulose) Lớp thành tế bào chứa pectin để giúp liên kết với tế bào bên cạnh Thành tế bào có chức nâng đỡ cho
Thể ổn định hóa tính (chemostat) Trong hệ lên men liên tục tốc độ dòng chảy dinh dưỡng cài đặt giá trị đặc biệt tốc độ sinh trưởng nuôi cấy điều chỉnh tốc độ dòng chảy này, trì nồng độ mơi trường dinh dưỡng thích hợp với mật độ tế bào
Thể ổn định độ đục (turbidostat). Được sử dụng hệ lên men liên tục tiến hành tốc độ pha loãng cao gần với điểm rửa trơi (washout point), ta ngăn cản rửa trơi cách điều hịa tốc độ dịng chảy trường hợp thất tế bào thơng qua dịng chảy ngồi vượt q sinh trưởng tế bào hệ lên men
(7)152 dịng haychủng ni cấy tăng đến gấp đôi kểtừkhi bắt đầu nuôi
Thực khuẩn thể (bacteriophage) Một virus tái tế bào vi khuẩn. Tiếp mẫu (inoculation).Bước đưa mẫu vào nuôi cấy khởi đầu (initiation culture)
Tínhtồn thể (totipotency) Một đặctínhcủa tế bàolà có khả phát triểnthànhmọi kiểu tế bàocó thểtrưởngthànhmàtừ đượctách ra, tứclà có khả tái sinhthành thể hoànchỉnh
Tốc độ phân chia tế bào (cell division rate).Sự phân chia tế bào đơn vị thời gian Tốc độ phân chia số suốt thời gian sinh trưởng (theo hàm mũ) tế bào
Tốc độ sinh trưởng tế bào (cell growth rate) Sự thay đổi số lượng tế bào theo thời gian Tốc độ sinh trưởng số suốt thời gian sinh trưởng (theo hàm mũ) tế bào
Tốc độsinh trưởng đặc trưng tế bào (cell specific growth rate) Sự thay đổi theo logarithm tự nhiêncủa sốlượng tế bào theo thời gian
Trình tựcis Trình tự phân tử DNA có tác động (điều hịa) đến trình tự khác trên phân tử DNA Các trình tựciskhơng mã hóa cho protein
Tuổi thế hệ tế bào (cell generation time) Thời gian hai lần phân chia tế bào Khái niệmnày không đồngnghĩa với thời gian gấp đôi quần thể
Ty thể (mitochondrion) Chứa vật liệu di truyền nhiều enzyme quan trọng trao đổi chất tế bào
Vector.Là phân tử DNA sử dụng tạo dòng gen nhân chúng tế bào vật chủ (E coli nấm men) Có ba nhóm vector gồm: (1) Nhóm plasmid, (2) Nhóm phage/phagemid, (3) Nhóm nhiễm sắc thể nhân tạo (artificial chromosome: BAC YAC) Ý tưởng vector chuyển gen bắt nguồn từ plasmid vi khuẩn Vector chuyển gen phân tử DNA có khả tự tái sinh, tồn độc lập tế bào mang gen cần chuyển
Vector hai nguồn (binary vector). Là dạng sử dụng hai hay nhiều loại plasmid vi khuẩn lúc, ví dụ: vi khuẩnE coli vàAgrobacterium, plasmid trường hợp thích ứng với
E coli vàAgrobacterium
Virus Phần tử có mang nucleic acid (DNA RNA) nằm vỏ bọc protein, có khả chép tế bào chủ lan truyền từ tế bào sang tế bào
Xoắn kép (double helix) Cấu trúc ba chiều tự nhiên hai chuỗi DNA bổ sung, đối song và
xoắn với