Những thành tựu gần đây trong sinh học phân tử như việc phát hiện enzyme phiên mã ngược dòng (revertranscriptase) mở ra sự tổng hợp gene nhân tạo của Temine, Baltimore, việc phát hiện [r]
(1)Hiện nay, người ta tạo giống trồng có suất cao thường nhu cầu địi hỏi phân cao Vì mà đất không đáp ứng nhu cầu cho Các nhà khoa học ngày phát bí vi sinh vật cố định N2, tăng lượng tiêu tốn mà hiệu cố định cao để dùng làm nguồn phân bón đường CNSH
4.1 Nhu cầu phân bón trồng
Đến năm 1974, người ta sản xuất 4.106 phân đạm trị giá tỉ dollars để đưa vào sử dụng cho trồng Trong 25 năm trước hàng năm có 3,5.106 Đến cuối kỉ XX, nhu cầu lương thực ngày tăng, người cần phải sản xuất 200.106 phân đạm
Rõ ràng lượng dùng để tiêu thụ cho nhà máy phân đạm để sản xuất số lượng phân khó khăn Do đó, người ta phải dùng nhiều biện pháp kĩ thuật khác nhau: phương pháp công nghiệp, phương pháp sinh học, phương pháp di truyền
4.2 Các phương pháp kĩ thuật khác việc cố định N2
* Phương pháp cố định N2 cơng nghiệp qui trình Haber-Bosch Bằng phương pháp người ta xây dựng nhà máy tốn kém: cần nhiệt độ cao (500oC), áp suất lớn (hàng ngàn atm) có mặt chất xúc tác để biến khí N2 + 3H2 → 2NH3 Hiện có nhà máy lớn sản xuất 1.000 tấn/ngày, nên giới năm sản xuất 4.106 phân đạm Song hạn chế lớn phương pháp tiền vốn đầu tư lớn Tuy vậy, nhu cầu phân bón mà người ta xây dựng khoảng 400-500 nhà máy
* Phương pháp cố định N2 sinh học vi khuẩn
- Vi khuẩn nốt sần Đậu Người ta phát vi khuẩn hình que có chiều dài khoảng 0,5µ, có tiêm mao, ẩn náu u sần rễ Đậu, Rhizobium Nốt sần nhà máy phân đạm ngầm đất Đậu Trong vi khuẩn có gene điều khiển việc tổng hợp enzyme nitrogenase hydrogenase với sắc tố màu hồng biến N2 phân tử thành NH3
(2)Ngày nay, người ta sản xuất phân bón nốt sần Rhizobium cách phân lập vi khuẩn nốt sần, tiến hành nuôi cấy nốt sần nồi lên men lớn với mơi trường dinh dưỡng thích hợp (nguồn hydrocarbon protein) Khi dung dịch nuôi cấy đạt lượng lớn vi khuẩn đem trộn lẫn với than bùn khơ nghiền với rỉ đường, đóng túi
nhỏ để hở miệng túi từ 3-5 ngày nhiệt độ 20oC dán túi, bảo quản
trong tủ lạnh chuyển đến nơi tiêu dùng Đó loại phân sinh học nitragin
- Vi khuẩn lam (tảo lam) cố định N2
Từ năm 1910, Bottomley cho túi bèo dâu ngồi tảo lam Anabaena cịn có lồi vi khuẩn khác Pseudomonas radicicola
và loài Azotobacter Tảo lam cung cấp cho vi khuẩn sản phẩm
quang hợp vi khuẩn cung cấp nitrogen cố định cho tảo lam Ở Việt Nam, Lê Văn Căn số người khác (1954) nuôi gam bèo dâu dung dịch không chứa nitrogene, sau 20 ngày thu 42,6 gam Lượng nitrogen bèo dâu từ mg tăng lên 75,4 mg Trong tháng lượng nitrogen mà bèo dâu cố định 136 kg/1mẫu Bắc Bộ Vì vậy, bèo dâu phân xanh có giá trị cho nghề nông
- Tảo xanh lục dùng sản phẩm quang hợp làm nguồn
năng lượng để đồng hóa N2 khí Vì vậy, tảo xanh lục
ruộng lúa vấn đề thời có nhiều ý nghĩa việc tăng lượng đạm cho
- Vi khuẩn nitrogen sống tự đất
Chlostridium pesteurianum loại vi khuẩn yếm khí Q trình cố định N2 thường diễn sau:
Từ trình lên men butyric:
C6H12O6 → C3H7COOH + 2CO2 +4H+
Hydrogen trình Chlostridium lấy để kết hợp với N2:
2N2 + 6H+ → 2NH3 nhờ Chlostridium có hai tiểu phần hoạt hóa
hydrogen nitrogen (hydrogenease nitrogenease) sử dụng gam
đường Chlostridium pasteurianum đồng hóa 2-3 mg N2
Azotobacter loại vi khuẩn hiếu khí nhờ đặc tính oxyhóa hiếu
khí q trình trao đổi chất Cho nên hiệu cố định N2 chúng
lớn Cứ gam đường cố định 15 mg N2 chí chúng
đạt tới 30 mg
Bên cạnh đó, vi khuẩn cung cấp lượng lớn chất điều hòa sinh trưởng auxin, gibberelline Do tăng suất trồng có lúa
(3)Công nghệ gene sản xuất phân đạm cho trồng
trong vấn đề sinh vật học đại nhằm sử dụng kho tàng N2 phân
tử q giá vơ tận khí trời mà trước thiên nhiên dành cho
Rhizobium, Chlostridium, Azotobacter, Azospirillum (gần người ta phát tế bào rễ lúa mì, lúa nước, ngơ, có loại vi khuẩn sống cộng sinh gọi Azospirillum A brasilence ở lúa mì, A, proferum
ở ngô) hay xạ khuẩn cà phê, phi lao, hay vi khuẩn số tùng bách thuộc rêu, thuộc tuế, v.v
Những thành tựu gần sinh học phân tử việc phát enzyme phiên mã ngược dòng (revertranscriptase) mở tổng hợp gene nhân tạo Temine, Baltimore, việc phát enzyme cắt hạn chế (restrictases) đoạn gene gene tế bào để lai ghép tái tổ hợp gene cách dễ dàng Arber, Nathan, Smith tạo điều kiện cho
các nhà bác học Mĩ biến trực khuẩn đường ruột E, coli
vồn khả cố định N2 thành chủng đủ sức tiêu thụ
N2
Enzyme nitrogenease hoạt động cố định N2
Năm 1960, nitrogenase tách từ Chlostridium pasteurianum
Lượng enzyme chứa tới 5% protein vi khuẩn Khi cho thêm lượng lớn pyruvate vào môi trường nitrogenase hai thành phần sau: thành phần chứa Mo Fe gọi protein Mo-Fe Thành phần thứ chứa Fe gọi protein-Fe
Protein Mo-Fe làm kết tinh cấu tạo từ đơn vị xếp thành hình hộp quan sát ảnh hiển vi điện tử Protein chứa nguyên tử Mo 24-32 nguyên tử sắt lưu huỳnh M=220.000dalton
Protein sắt cấu tạo từ đơn vị giống hệt nhau, chứa nguyên tử sắt nguyên tử lưu huỳnh M=60.000 dalton
Phổ cộng hưởng spin điện tử protein Mo-Fe cộng hưởng giá trị g 2,01; 3,65; 4,30 thuộc số nguyên tử sắt Phổ chứng minh có ích khảo sát chế khảo sát sinh lí Cịn phổ cộng hưởng spin điện tử protein-Fe khơng phải mà tương tự phổ quan sát ferredoxin
Cả thành phần nói có vai trị hoạt động nitrogenase theo tỉ lệ protein-Fe protein Mo-Fe
(4)phẩm cố định N2 sinh học NH3 chất ức chế
phản ứng ATP chất khử thích hợp, có vai trò hoạt động nitrogenase Để di chuyển electron, enzyme nitrogenase cần phân tử ATP
Ferredoxin flavodoxin oxyhóa-khử gần điện cực hydrogen tác nhân sinh lí chuyển electron biết có liên kết với nitrogenase
Pyruvate chất cho electron tự nhiên vài sinh vật Chlostridium , Rhizobium phosphate dinucleotid
adenine nicotinamid khử (NADP.H2)
Nitrogenase có tính linh hoạt tuyệt diệu khả khử hàng loạt chất khác Một enzyme khác có tính chất linh hoạt ribulosodiphosphatecarboxylase – enzyme cố định CO2 O2
Có thể xem nitrogenase reductase H3O+
các liên kết ba chức NN, NO, NC, CC biểu thị N2, N3,
N2O, RCN, RNC, RCCH sản phẩm biểu diễn phản ứng thêm
2, 4, 6, 8, 10, 12 14 điện tử Động lực phản ứng nitrogenase cho biết phức hợp ATP Mg liên kết với protein-Fe protein Mo-Fe Những thay đổi phổ cộng hưởng spin điện tử protein-Fe protein Mo-Fe dẫn đến kết protein Mo-Fe bị khử protein-Fe với tham gia ATP, Mg Như vậy, nitrogenase biểu thị phức hợp protein-Fe protein Mo-Fe với Mg-ATP bao hàm trình chuyển điện tử từ protein-Fe sang protein Mo-Fe
* Chuyển gene sản xuất nitrogenase (gene nif) từ vi khuẩn cố định N2 sang E coli bằng đường kĩ thuật gene
Cách 10 năm, nhà bác học Mĩ tách đoạn gene điều khiển việc sản xuất nitrogenase khỏi vi khuẩn Klabsiella pneumoniae rồi ghép đoạn gene vào vi khuẩn E coli một cách an
toàn Khi vào E coli, gene bắt tay vào việc sản xuất nitrogenase
Enzyme giúp trực khuẩn thể E coli dễ dàng tiếp thu nitrogen phân tử
mà bình thường E coli khơng thực
* Kĩ thuật gene chuyển operon nitrogen vào chất nguyên sinh trồng mong muốn
Ngày người ta mong muốn chuyển gene nif từ vi khuẩn cố định N2 vào thực vật thượng đẳng lúa , khoai, ăn v.v làm cho
(5)5 CNSH việc nghiên cứu chất ĐHST làm tăng suất cây trồng.
Ta biết, tế bào thể (soma) thực vật có tiềm điều kiện hoàn thành hoàn chỉnh Kĩ thuật cho phép tái sinh từ tế bào thể bị biến tính hay tế bào sinh sản đơn bội, khai thác khác dòng tế bào thể mô thực vật phát triển kĩ thuật di truyền giống hiệu lực để làm tăng tốc độ truyền giống trồng virus
Điều hịa sinh trưởng phát triển thực vật bao gồm tái sinh thực vật từ tế bào mô tách rời kiểm soát hormone gọi phytohormone Phytohormone gồm nhiều chất như: auxin, abscisin, ethylene, gibberelline, cytokinine Nhưng loại hormone quan trọng auxin cytokinine định kích thích phân chia biệt hóa tế bào mô nuôi cấy in vitro Việc nuôi trồng mô lâu dài số loài thực vật tiến hành nhờ cộng thêm auxin vào mơi trường Sau đó, người ta phát cytokinine (xem thêm Giáo trình lí thuyết Sinh lí thực vật Trương Văn Lung, 1991, trang 174-184 nhiều tài liệu khác chất điều hóa sinh trưởng thực vật)
Cytokinine tự nhiên phát zeatin tách nội nhũ (endosperm) ngô non Giống cytokinine tự
nhiên khác, zeatin adenine thay N+6, vòng adenine nguyên vẹn
mang chuỗi bên N+6 với liên kết đơi vị trí 2,3 nhóm methyl
hydroxyl hóa
Hầu hết nghiên cứu xác định mối liên quan hoạt động sinh học với cấu trúc hóa học cytokinine thử nghiệm callus thuốc Khả cytokinine kích thích lớn lên mô thuốc bổ sung auxin
Các tác động sinh học cytokinine
- Kích thích sinh trưởng tế bào thực vật với việc thêm auxin
- Tỉ lệ auxin/cytokinine cao môi trường ni cấy cảm ứng sinh rễ, củ mạnh; ngược lại sinh nụ, cành non tăng
- Sự lớn lên chồi bên tăng, chồi đỉnh giảm, làm dễ dàng cho việc tạo hình cành có khả sinh sản
- Tăng đề kháng tới tress khác độ mặn, độ ẩm, nhiệt độ cao
- Điều hòa sinh trưởng điều kiện hạn hán, làm trì hỗn già yếu phần lại bị chặt
(6)tính quan vector vaccine phát tán biểu gene tạo dòng mã hóa kháng nguyên mà đẫn đến kháng thể trung hoà chống lại tác nhân gây bệnh Tuy nhiên genome virus đậu mùa lớn thiếu vị trí cắt hạn chế, xen thêm vào đoạn DNA cách trực tiếp Điều cần thiết gene tác nhân đặc hiệu phải đưa vào genome virus tái tổ hợp
tương đồng (homologous recombination) in vitro
Một số gene kháng nguyên xen thành công vào genome virus đậu mùa sau biểu tế bào động vật nuôi cấy Các kháng nguyên bao gồm protein G virus dại, kháng nguyên bề mặt virus viêm gan B, protein bề mặt virus Sindbis, protein HA NP virus cúm, protein N G virus viêm miệng glycoprotein virus herpexs simplex
Sự sử dụng vaccine vector tạo từ virus đậu mùa cho phép cá thể chủng ngừa có khả chống lại số bệnh khác Kết có sử dụng virus đậu mùa tái tổ hợp mang gene tạo dịng mã hóa số kháng ngun khác
So với loại vaccine khác, vaccine virus tái tổ hợp sống có số đặc điểm thuận lợi sau đây:
- Virus biểu kháng nguyên đáng tin cậy dạng gần giống với xâm nhiễm tự nhiên
- Virus đậu mùa tái vật chủ, khuyếch đại lượng kháng nguyên hoạt hóa giải phóng kháng thể từ tế bào B kích thích sản sinh tế bào T
- Sự xen gene kháng nguyên vào nhiều vị trí genome virus đậu mùa làm giảm nhiều tính độc
Trong nhiều cơng trình nghiên cứu phát triển vaccine vector virus sống tiến hành với virus đậu mùa, virus khác adenovirus, varicella-zoster virus nghiên cứu thể truyền vaccine có tiềm lực
7.2 Adenovirus
(7)lên tế bào bị lây nhiễm genome bền Mặt khác mức độ biểu gene kháng nguyên ngoại lai cao Hơn protein kháng nguyên cải biến sau q trình phiên mã
8 Công nghệ sinh học với việc nuôi trồng thủy sản
Nhu cầu lương thực, thực phẩm tăng lên với đà tăng dân số, nạn đói protein trở nên trầm trọng Mặt nước, đặc biệt biển xem nơi có khả giải khó khăn đó, thủy sản góp phần cung cấp nguồn protein, lipid, glucid,…cho người Do khai thác thủy sản mức, hoạt động phát triển kinh tế, thị hóa, phát triển cơng nghiệp, phá rừng,…đã gây ô nhiễm phá vỡ hệ sinh thái: rạn san hô, thảm rong tảo, rừng ngập mặn, ô nhiễm nguồn nước…làm nơi cư trú bãi đẻ nhiều loài thủy sản, sản lượng tự nhiên có chiều hướng giảm sút Theo FAO sản lượng khai thác thủy sản giới tương lai giữ mức (85-90 triệu tấn/năm) Trước tình hình đó, việc ni trồng thủy sản giải pháp nhằm bổ sung tăng cường sản lượng thủy sản thời gian tới
Ở nước ta, việc nuôi trồng thủy sản trở thành hướng trọng điểm Việc ứng dụng thành tựu CNSH biện pháp nhằm tạo giống mới, nâng cao suất chất lượng sản phẩm
8.1 Mặt nước nuôi trồng thủy sản
Mặt nước giới chiếm diện tích lớn: 360 triệu km2
trong số 510 triệu km2 toàn lục địa Mà đâu có nước có
sinh vật sinh sống Từ ao hồ, đầm phá, sông suối, mặt biển, nước ngọt, nước lợ hay nước mặn, qua trình phát triển cá thể sinh vật thích nghi với mơi trường sinh trưởng phát triển cách bình thường điều kiện sống Do đó, thực vật nước dùng carbon để đồng hóa
trong khí 15,3.1010 tấn, lúc tồn thực vật hấp thụ
carbon 17,4.1010 Nhân dân giới biết sử dụng mặt
nước khổng lồ để ni trồng thủy sản
Năm 1995, Việt Nam xếp thứ 13 sử dụng mặt nước nuôi trồng thủy sản Hiện xếp thứ khu vực Thái Bình Dương diện tích ni trồng năm 2000 lên xấp xỉ 135.000 Diện tích nước tập trung nhiều Nam Bộ (55,07%), Bắc Bộ chiếm 24,15%, Trung Bộ 20,78% Thành phần lồi cá ni phong phú, riêng cá nội địa có 28 lồi, cá nhập nội 11 lồi với dịng cá khác (thông tin từ Thủy sản năm 1996) Nhiều đối tượng khác giáp xác (tôm, cua,…) hai mảnh vỏ, ốc, ba ba, đồi mồi, rong tảo…cũng đưa vào nuôi qui mô khác