Giáo trình nhập môn công nghệ sinh học PGS TS nguyễn hoàng lộc

PGS TS Nguyễn Hồng Lộc Giáo trình Nhập mơn Cơng nghệ sinh học Nhà xuất Đại học Huế Năm 2007 NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC HUẾ Địa chỉ: 01 Điện Biên Phủ, Huế - Điện thoại: 054.834486 Chịu trách nhiệm xuất bản: Giám đốc: Nguyễn Xuân Khoát Tổng biên tập: Hồng Hữu Hịa Người phản biện: PGS TS Lê Trần Bình Biên tập nội dung: PGS Nguyễn Khải Biên tập kỹ thuật-mỹ thuật: Hồng Minh Trình bày bìa: Nguyễn Hồng Lộc Chế vi tính: Nguyễn Hồng Lộc NHẬP MƠN CƠNG NGHỆ SINH HỌC In 500 khổ 16×24 cm, Công ty In Thống kê Sản xuất Bao bì Huế, 36 Phạm Hồng Thái, Huế Số đăng ký KHXB: 151-2007/CXB/01-03/ĐHH Quyết định xuất số: 07/QĐ-ĐHH-NXB, cấp ngày 12/4/2007 In xong nộp lưu chiểu tháng năm 2007 Lời nói đầu Cơng nghệ sinh học ngành khoa học ứng dụng hiểu biết người hệ thống sống để sử dụng hệ thống thành phần chúng cho mục đích cơng nghiệp Đây ngành mũi nhọn, giới quan tâm có tốc độ phát triển nhanh chóng tạo cách mạng sinh học nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, y-dược, bảo vệ môi trường, vật liệu… Từ sản phẩm công nghệ lên men truyền thống đến sản phẩm công nghệ sinh học đại như: sinh vật biến đổi gen, động vật nhân bản, nuôi cấy tế bào gốc, công nghệ sinh học nanô cho thấy phạm vi nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học ngày mở rộng đa dạng, hướng đến phát triển công nghiệp công nghệ sinh học Điều cho thấy cơng nghệ sinh học phối hợp khoa học công nghệ để khai thác kiến thức hệ thống sống cho ứng dụng thực hành công ngh nước giới Giáo trình Nhập mơn cơng nghệ sinh học cung cấp kiến thức cho sinh viên công nghệ DNA tái tổ hợp, công nghệ lên men vi sinh vật, công nghệ sinh học thực vật, công nghệ sinh học động vật, công nghệ protein số ứng dụng chúng lĩnh vực nông nghiệp, y học môi trường 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 hồn thiện Chúng tơi chân thành cảm ơn Quỹ Nâng cao chất lượng-Dự án Giáo dục đại học hỗ trợ biên soạn giáo trình này, PGS TS Lê Trần Bình đọc thảo góp nhiều ý kiến quý báu Tác giả Phần I Các khái niệm nguyên lý Nhập môn Công nghệ sinh học Chương Mở đầu I Định nghĩa công nghệ sinh học Định nghĩa tổng quát Có nhiều định nghĩa cách diễn đạt khác công nghệ sinh học tùy theo tác giả, tất thống khái niệm sau đây: Công nghệ sinh học trình sản xuất sản phẩm quy mơ cơng nghiệp, 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 lò phản ứng nhỏ Đầu năm 1980, bắt đầu hình thành công nghệ sinh học đại lĩnh vực công nghiệp sử dụng hoạt động sinh học tế bào biến đổi di truyền Công nghệ sinh học đại đời với xuất kỹ thuật gen Cơ sở sinh học áp dụng bao gồm sinh học phân tử, sinh học tế bào, hóa sinh học, di truyền học, vi sinh vật học, miễn dịch học, nguyên lý kỹ thuật máy tính Có hai cách định nghĩa công nghệ sinh học cách tổng quát nhất: - Do UNESCO (1985) định nghĩa: Công nghệ sinh học công nghệ sử dụng phận hay tế bào riêng rẽ thể sinh vật vào việc khai thác sản phẩm chúng - Do Trường Luật Stanford (1995) định nghĩa: Công nghệ sinh học công nghệ chuyển hay nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản phẩm chức gen Sự khác biệt rõ rệt hai định nghĩa thuộc đối tượng tác động công nghệ sinh học: UNESCO xem quan, phận, tế bào chức riêng rẽ sinh vật đối tượng, Trường Luật Stanford lại coi gen đối tượng tác động công nghệ Từ định nghĩa trên, phân biệt hai nhóm cơng nghệ sinh học là: Nhập mơn Cơng nghệ sinh học 1.1 Công nghệ sinh học truyền thống (traditional biotechnology) Bao gồm: + Thực phẩm lên men truyền thống (food of traditional fermentations) + Công nghệ lên men vi sinh vật (microbial fermentation technology) + Sản xuất phân bón thuốc trừ sâu vi sinh vật (production of microbial fertilizer and pesticide) + Sản xuất sinh khối giàu protein (protein-rich biomass production) + Nhân giống vơ tính nuôi cấy mô tế bào thực vật (plant micropropagation) + Thụ tinh nhân tạo (in vitro fertilization) 1.2 Công nghệ sinh học đại (modern biotechnology) Bao gồm: + Nghiên cứu genome (genomics) + Nghiên cứu proteome (proteomics) + Thực vật động vật chuyển gen (transgenic animal and plant) + Động vật nhân (animal cloning) + Chip DNA (DNA chip) + Liệu pháp tế bào gen (gene and cell therapy) + Protein biệt dược (therapeutic protein) + Tin sinh học (bioinformatics) + Công nghệ sinh học nano (nanobiotechnology) + Hoạt chất sinh học (bioactive compounds) Nội dung khoa học công nghệ sinh học Cơng nghệ sinh học phân loại theo kiểu khác Xét góc độ tác nhân sinh học tham gia vào q trình cơng nghệ sinh học, chia thành nhóm sau: - Công nghệ sinh học thực vật (plant biotechnology) - Công nghệ sinh học động vật (animal biotechnology) - Công nghệ sinh học vi sinh vật (microbial biotechnology) Nhập môn Công nghệ sinh học - Công nghệ sinh học enzyme hay công nghệ enzyme (enzyme biotechnology) Gần đây, nhân tố sinh học tế bào hình thành khái niệm cơng nghệ protein (protein engineering) công nghệ gen (gene engineering) Công nghệ protein công nghệ gen xun suốt trở thành cơng nghệ chìa khóa nằm cơng nghệ sinh học thực vật, cơng nghệ sinh học động vật công nghệ sinh học vi sinh vật Nhờ kỹ thuật đọc trình tự gen kỹ thuật DNA tái tổ hợp, công nghệ gen đạt thành tựu to lớn mang tính định, mở giai đoạn phát triển Đó nghiên cứu tồn genome nhiều sinh vật, đáng ý việc giải mã genome người lúa Đó việc hình thành phương hướng nghiên cứu, ứng dụng kinh doanh sinh vật biến đổi gen (gentically modified organism-GMO) thực phẩm biến đổi gen (gentically modified food-GMF) Cơng nghệ protein có tiềm ứng dụng lớn việc sản xuất protein tái tổ hợp (recombinant protein) dùng làm dược phẩm điều trị bệnh hiểm nghèo interferon, interleukin, insulin Mặt khác, tùy vào đối tượng phục vụ cơng nghệ sinh học, chia lĩnh vực công nghệ sinh học khác như: - Công nghệ sinh học nông nghiệp (biotechnology in agriculture) - Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm (biotechnology in food processing) - Công nghệ sinh học y dược (biotechnology in medicinepharmaceutics) - Công nghệ sinh học môi trường (environmental biotechnology) - Công nghệ sinh học vật liệu (material biotechnology) - Cơng nghệ sinh học hóa học (biotechnology in chemical production) - Công nghệ sinh học lượng (biotechnology in energy production) Một số tác giả cho loài người áp dụng công nghệ sinh học từ lâu vào hoạt động sản xuất, ví dụ: cơng nghệ sản xuất đồ uống (rượu, bia ) công nghệ sản xuất thực phẩm (men bánh mì, nước mắm, tương, chao ) Do đó, việc định nghĩa phân loại công nghệ sinh học giai đoạn phát triển ban đầu có ý nghĩa quan trọng để có Nhập mơn Cơng nghệ sinh học sách đầu tư hợp lý ưu tiên cho công nghệ sinh học Dưới lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học quan tâm hàng đầu Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học 3.1 Công nghệ sinh học nông nghiệp Lĩnh vực nông nghiệp mục tiêu phát triển hàng đầu công nghệ sinh học nhiều nước công nghiệp giới, thực tế hoạt động nghiên cứu phát triển, sản xuất thương mại hóa lĩnh vực nhiều tập đồn lớn quan tâm Có thể nêu ba lĩnh vực là: - Giống trồng vật ni nhân vơ tính chuyển gen mang đặc điểm nông-sinh quý phương pháp truyền thống không tạo được, đồng thời lại bảo vệ thông qua quyền tác giả - Các chế phẩm sinh học dùng bảo vệ trồng vật nuôi, như: vaccine, thuốc trừ sâu bệnh phân bón vi sinh - Cơng nghệ bảo quản chế biến nông-hải sản chế phẩm vi sinh enzyme Giá trị nông sản nâng lên nhiều lần quy trình cơng nghệ kèm trang thiết bị dạng hàng hóa kinh doanh chuyển giao cơng nghệ Ngồi liệt kê thêm số lĩnh vực khác: - Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm: Các enzyme (amylase, rennin, β-galactosidase, invertase, gluco-isomerase, pectinase), chất phụ gia thực phẩm (các chất tạo ngọt, hương vị, tạo màu, bột nở làm ổn định, vitamin, amino acid, chất chống oxy hóa, chất bảo quản, chất hoạt hóa bề mặt ) - Các loại thức ăn bổ sung cho chăn nuôi (kháng sinh ) - Các loại thuốc trừ sâu, diệt cỏ với tính đặc hiệu tăng lên (các sản phẩm Bt, baculovirus, tuyến trùng ký sinh ) - Các hormone sinh trưởng thực vật (các cytokinin ) - Các hóa chất chẩn đốn bệnh cho động-thực vật Nhập môn Công nghệ sinh học 3.2 Công nghệ sinh học y dược Có lẽ thành tựu công nghệ sinh học thể rõ nét lĩnh vực y học Hiện nay, hầu hết sản phẩm quan trọng sau sản xuất sở công nghệ sinh học, bao gồm ứng dụng sau: - Các loại kháng sinh chất diệt khuẩn, loại vitamin chất bổ dưỡng, loại amino acid hỗn hợp chúng dịch truyền, loại vaccine loại hormone chữa bệnh - Các kit chuẩn dùng chẩn đốn bệnh chẩn đốn hóa sinh y dược - Cây trồng vật nuôi cấy chuyển gen sản sinh loại protein trị liệu mục tiêu đầu tư nhiều công ty y dược hàng đầu giới Cụ thể nghiên cứu sản xuất dược phẩm, kháng thể đơn dòng, interferon, hormone (hormone sinh trưởng, insulin, erythropoietin, thrombopoietin ), enzyme (urokinase, heparinase, alcohol dehydrogenase), protein khác (các kháng nguyên đặc hiệu, albumin, antithrombin, fibronectin ), kháng sinh, thuốc vitamin mới, dược phẩm có chất protein, loại vaccine viêm gan B, C, HIV, cúm, sốt rét, viêm não, tả tác nhân gây bệnh tiêu chảy, kit chẩn đốn như: chẩn đốn có mặt HIV, virus viêm gan B C máu, số chẩn đoán thai , liệu pháp gen: điều trị gen gây bệnh di truyền Hiện nay, công ty công nghệ sinh học y dược hàng đầu giới tập trung vào nghiên cứu tạo sản phẩm chống lại bệnh HIV/AIDS, loại bệnh ung thư, tiểu đường, bệnh tim mạch, bệnh truyền nhiễm 3.3 Công nghệ sinh học công nghiệp chế biến thực phẩm Công nghệ sinh học công nghiệp bao gồm lĩnh vực sản xuất loại enzyme amylase, cellulase protease dùng công nghiệp dệt, cơng nghiệp xà phịng mỹ phẩm, cơng nghiệp bánh kẹo, rượu bia nước giải khát… Sau loại sản phẩm công nghệ sinh học cơng nghiệp: - Cơng nghiệp hóa chất: Các hóa chất thơng dụng (ví dụ: acrylamide) sản xuất cơng nghệ sinh học Cơng nghiệp hóa học có Nhập mơn Cơng nghệ sinh học 10 hiệu dùng chất xúc tác sinh học (enzyme), tái sinh xử lý dung môi đường sinh học - Quá trình chế biến tinh bột: Dùng enzyme công nghệ sinh học tạo để dịch hóa đường hóa tinh bột thành glucose chuyển hóa thành fructose - Cơng nghiệp làm sạch: Các chất giặt tẩy đại đuợc bổ sung protease enzyme khác làm vết bẩn protein, tinh bột chất béo - Công nghiệp bột gỗ giấy: Nhu cầu thị trường bảo vệ mơi trường ngày lớn giấy chứa hợp chất chlorine gây nhiễm Q trình sản xuất bột giấy gây ô nhiễm nặng Công nghệ sinh học đưa giải pháp sinh học để sản xuất bột giấy không gây ô nhiễm cách sử dụng loại nấm phân hủy lignin-cellulose để tạo bột Các enzyme dùng nâng cao chất lượng sợi chất lượng giấy - Công nghiệp khai khống phát khống sản Có hai cơng nghệ: lọc sinh học/oxy hóa sinh học kim loại, xử lý ô nhiễm kim loại tái sinh Công nghệ lọc kim loại dùng vi sinh vật thu kim loại quí đồng, kẽm cobalt Cơng nghệ xử lý sinh học nhiễm áp dụng kim loại nặng 3.4 Công nghệ sinh học môi trường Tuy lĩnh vực phát triển ứng dụng công nghệ sinh học môi trường đáng kể Mọi q trình xử lý chất thải khơng khép kín xử lý sinh học khó thành cơng trọn vẹn Các hoạt động cơng nghệ sinh học môi trường trọng là: - Công nghệ phân hủy sinh học: Dùng thể sống phân hủy chất thải độc tạo nên chất khơng độc nước, khí CO2 vật liệu khác Bao gồm, cơng nghệ kích thích sinh học: bổ sung chất dinh dưỡng để kích thích sinh trưởng vi sinh vật phân hủy chất thải có sẵn mơi trường, cơng nghệ bổ sung vi sinh vật vào môi trường để phân hủy chất ô nhiễm, công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại chất ô nhiễm khác thực vật nấm Nhập môn Công nghệ sinh học 11 virus phức hợp cationic liposome GL67, PEI, plasmid, SecR, Integrin Vector tạo dòng (cloning vector) Phân tử DNA mạch kép có khả tự chép tế bào vật chủ Có thể gắn vào phân tử đoạn vài đoạn DNA khác nguồn tạo nên phân tử DNA tái tổ hợp dùng để nhân dòng Vết tan (plaque) Vòng tròn suốt xuất thảm đục vi khuẩn mọc môi trường thạch đặc, tan vỡ lặp lại nhiều chu kỳ tế bào vi khuẩn bị bacteriophage xâm nhiễm sinh tan Vi khuẩn hiếu khí (aerobe) Vi khuẩn sống khơng khí sử dụng oxygen tự để sinh trưởng Vi khuẩn kỵ khí (anaerobe) Vi khuẩn sống điều kiện khơng có khơng khí hay oxygen tự do, ngược lại với hiếu khí Trong q trình kỵ khí, H2S tạo gây mùi khó chịu Virus Phức hợp chứa nucleic acid (DNA RNA) nằm vỏ bọc protein, có khả gây nhiễm tái bên tế bào vật chủ đặc hiệu, tạo nhiều virus, lan truyền từ tế bào sang tế bào khác Virus dạng sống khơng có cấu trúc tế bào, có khả xâm nhập vào tế bào sống xác định sinh sản bên tế bào Giống tất sinh vật khác, virus có máy di truyền riêng mình, mã hóa việc tổng hợp hạt virus từ chất có tế bào vật chủ Như vậy, virus vật ký sinh nội bào Virus phân bố khắp nơi tự nhiên, xâm nhập vào tất nhóm sinh vật Người ta biết khoảng 500 loại virus xâm nhập động vật máu nóng, 300 loại xâm nhập thực vật bậc cao Một số khối u ung thư động vật người virus Virus tồn hai dạng: dạng nghỉ hay ngoại bào dạng sinh sản hay nội bào Kích thước hạt virus từ 15-350 nm, chiều dài số loại virus đạt tới 2000 nm Phần lớn virus nhìn thấy qua kính hiển vi điển tử Chất mang thơng tin di truyền virus nucleic acid: DNA RNA Vì vậy, phân virus thành hai loại: loại mang DNA loại mang RNA Vi tiêm (microinjection) Kỹ thuật đưa DNA vào nhân vào tế bào chất tế bào kim mao dẫn bơm áp lực Toàn thao tác tiến hành kính hiển vi ngược pha (inverted microscope) Nhập mơn Cơng nghệ sinh học 353 Vị trí cos (cos site) phage λ Vị trí liên kết kháng nguyên đơn (unique antigen combining site) Vị trí liên kết với kháng thể nằm phân tử kháng nguyên Vòng cặp tóc (hairpin loop) Vùng chuỗi đơn bổ sung tạo nếp gấp chứa cặp base tạo thành xoắn kép, Vùng hướng (downtream region) Đề cập đến vị trí đoạn trình tự nằm phía đầu 3’ gen đoạn gen quan tâm Vùng đa nối (polylinker hay polycloning site) Một trình tự DNA mạch kép tổng hợp nhân tạo có mang loạt vị trí nhận biết enzyme hạn chế Trình tự gắn vào vector dùng kỹ thuật tạo dòng gen (như vùng tạo dòng) Vùng liên kết ribosome (ribosome binding site, RBS) (xem trình tự Shine-Dalgarno) Vùng ngược hướng (upstream region).Vị trí trình tự nucleotide nằm phía đầu 5’ phân tử DNA so với gen quan tâm Vùng tạo dòng (multiple cloning sites, MCS) t số enzyme cắt hạn chế thông dụng, thiết kế để chèn đoạn DNA ngoại lai vào Western blot Kỹ thuật chuyển protein tổng số phân tách điện di SDS polyacrylamide gel lên màng nylon nitrocellulose để lai với kháng thể thứ đặc hiệu sau kháng thể thứ hai có đánh dấu enzyme nhằm phát protein kháng nguyên tương ứng Xenobiotic Một loại hợp chất tìm thấy thể sống khơng sản xuất bình thường mong đợi có mặt thể Nó bao gồm chất diện với nồng độ cao bình thường nhiều lần Đặc biệt, loại thuốc kháng sinh xem xenobiotic người thể người khơng tự sản xuất chúng Tuy nhiên, lĩnh vực môi trường thuật ngữ thường sử dụng để chất gây Nhập môn Công nghệ sinh học 354 ô nhiễm dioxin, polychlorinated biphenyl , ảnh hưởng chúng lên khu hệ sinh vật (biota) X-gal (5-bromo-4-chloro-3indolyl- -D-galactopyranoside) Cơ chất sinh màu với -galactosidase cho sản phẩm có màu xanh lam YAC (Yeast artificial chromosome) Nhiễm sắc thể nhân tạo nấm men, dùng làm vector để tạo dịng đoạn DNA có kích thước lớn nấm men Yếu tố tác động cis (cis-acting element) Đoạn trình tự DNA biểu hiệu phân tử DNA mà tác động Ví dụ: hộp CAAT phần tử tác động cis trình phiên mã sinh vật eukaryote Yếu tố tác động trans (trans-acting element) Yếu tố di truyền biểu hiệu mà không cần nằm phân tử với đoạn trình tự đích Thường yếu tố mã hóa cho sản phẩm protein (có thể enzyme hay protein điều hịa) sản phẩm khuếch tán đến điểm tác động Tài liệu tham khảo/đọc thêm Ban Từ điển-NXB Khoa học Kỹ thuật 2002 Từ điển Bách khoa Sinh học NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Bains W 2003 Biotechnology from A to Z Oxford University Press Inc New York, USA Lawrence E 1995 Henderson’s Dictionary of Biological Terms 7th ed Longman Group Ltd Singapore Ratledge C and Kristiansen B 2002 Basic Biotechnology Cambridge University Press, UK Singleton P and Sainsbury D 2001 Dictionary of Microbiology and Molecular Biology 3rd ed John Wiley & Sons, Ltd UK Walker JM and Rapley R 2002 Molecular Biology and Biotechnology ed The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK th Nhập môn Công nghệ sinh học 355 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Phần I CÁC KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN Chƣơng MỞ ĐẦU I Định nghĩa công nghệ sinh học Định nghĩa tổng quát 1.1 Công nghệ sinh học truyền thống 1.2 Công nghệ sinh học đại 6 7 Nội dung khoa học công nghệ sinh học Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học 3.1 Công nghệ sinh học nông nghiệp 3.2 Công nghệ sinh học y dược 3.3 Công nghệ sinh học công nghiệp chế biến thực phẩm 3.4 Công nghệ sinh học môi trường II Sơ lược lịch sử hình thành cơng nghệ sinh học Giai đoạn thứ 9 10 10 11 12 13 Giai đoạn thứ hai Giai đoạn thứ ba Giai đoạn thứ tư III Một số khía cạnh khoa học kinh tế công nghệ sinh học đại 13 13 14 15 Về khoa học Về kinh tế 2.1 Những công ty đa quốc gia công nghệ sinh học 2.2 Sự lệ thuộc vào công ty đa quốc gia công nghệ sinh học IV Các vấn đề pháp lý công nghệ sinh học đại 15 16 16 16 An toàn sinh học 1.1 Sự chuyển gen hạt phấn 1.2 Sự bền vững DNA đất 17 18 18 19 356 1.3 Chuyển gen ngang từ thực vật vào vi sinh vật đất 1.4 Chuyển gen từ thực vật vào virus 20 21 An toàn thực phẩm 2.1 Các chất gây dị ứng 2.2 Đánh giá độ an toàn thực phẩm Đạo đức sinh học Quyền tác giả sở hữu trí tuệ 4.1 Quyền tác giả 4.2 Sở hữu trí tuệ Tài liệu tham khảo/đọc thêm 22 23 24 25 27 27 28 30 Chƣơng CÔNG NGHỆ DNA TÁI TỔ HỢP I Mở đầu II Phân lập đoạn DNA/gen Tách đoạn DNA từ genome Sinh tổng hợp cDNA từ mRNA Phân lập đoạn DNA phương pháp PCR III Tạo dòng (gắn) đoạn DNA/gen vào vector 31 31 31 32 33 33 36 Enzyme hạn chế Các vector dùng để tạo dòng đoạn DNA 2.1 Plasmid vector 2.2 Bacteriophage vector Gắn đoạn DNA vào vector 3.1 Gắn đoạn cDNA 3.2 Gắn sản phẩm PCR Biến nạp vector tái tổ hợp vào vi khuẩn/tế bào vật chủ 4.1 Điện biến nạp 4.2 Hóa biến nạp IV Chọn dòng mang DNA tái tái tổ hợp Lai khuẩn lạc vết tan Khử hoạt tính chèn đoạn Tạo dòng định hướng 36 38 39 42 43 43 46 47 47 48 48 49 50 50 357 V Biểu gen tạo dòng Vector biểu 52 53 Xác định mức độ biểu gen tạo dòng Tài liệu tham khảo/đọc thêm 55 58 Chƣơng CÔNG NGHỆ LÊN MEN VI SINH VẬT I Mở đầu II Sinh trưởng vi sinh vật III Sinh khối vi sinh vật công nghệ lên men Sinh khối vi sinh vật 59 59 59 64 64 Quá trình lên men IV Các sản phẩm lên men vi sinh vật Lên men rượu 1.1 Rượu trắng 1.2 Rượu vang Sản xuất enzyme 2.1 Các loại enzyme vi sinh vật 2.2 Sinh tổng hợp enzyme cảm ứng 65 68 68 68 70 71 72 75 2.3 Những phương pháp nuôi cấy vi sinh vật để sản xuất enzyme 76 2.4 Tách tinh chế phẩm enzyme Sản xuất kháng sinh 3.1 Penicillin 3.2 Streptomycin 3.3 Tetracycline Sản xuất acid hữu 4.1 Acetic acid 82 83 83 85 86 87 87 4.2 Citric acid V Công nghệ tái tổ hợp vi sinh vật Các vi sinh vật tái tổ hợp Các ứng dụng công nghệ vi sinh Tài liệu tham khảo/đọc thêm 89 89 90 90 91 358 Chƣơng CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC VẬT I Mở đầu II Nuôi cấy mô nhân giống in vitro Thuật ngữ học 1.1 Nuôi cấy đỉnh phân sinh 1.2 Sinh sản chồi nách 1.3 Tạo chồi bất định 1.4 Phát sinh quan 1.5 Phát sinh phơi vơ tính 93 93 94 94 95 95 95 96 96 Nhân giống in vitro hệ thống nuôi cấy mô 2.1 Tái sinh từ cấu trúc sinh dưỡng 2.2 Nhân giống thông qua giai đoạn callus 2.3 Nhân giống thông qua phát sinh phơi vơ tính-cơng nghệ hạt nhân tạo 96 97 101 102 Các giai đoạn quy trình nhân giống vơ tính in vitro 3.1 Giai đoạn I-cấy gây 3.2 Giai đoạn II-nhân nhanh 3.3 Giai đoạn III-chuẩn bị đưa đất 107 107 108 110 Nhân giống in vitro việc sử dụng giống ưu lai Nhân giống in vitro đặc điểm không di truyền 5.1 Hiện tượng đặc điểm epigenetic lưu lại 5.2 Hiện tượng đặc điểm epigenetic không lưu lại III Các kỹ thuật chuyển gen thực vật Biến nạp gián tiếp thông qua Agrobacterium 1.1 Vi khuẩn Agrobacterium 1.2 Ti-plasmid 1.3 Vùng T-DNA 1.4 Chuyển DNA ngoại lai vào tế bào mô thực vật nhờ Agrobacterium tumefaciens Các gen thị chọn lọc gen thị sàng lọc Chuyển gen vi đạn 110 111 111 112 112 114 114 115 116 117 119 122 359 Các ứng dụng công nghệ chuyển gen 4.1 Một số kết bước đầu 123 123 4.2 Triển vọng hướng phát triển Công nghệ di truyền kháng chất diệt cỏ Công nghệ di truyền kháng sâu-bệnh 6.1 Kháng côn trùng 6.2 Kháng virus thực vật 6.3 Kháng bệnh nấm 6.4 Kháng bệnh vi khuẩn IV Sản xuất dược liệu sinh học 124 125 126 126 127 129 130 130 Các hợp chất tự nhiên 1.1 Các alkaloid 1.2 Các steroid 1.3 Một số chất khác Các protein tái tổ hợp Vaccine thực phẩm Tài liệu tham khảo/đọc thêm 130 132 132 133 134 136 138 Chƣơng CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỘNG VẬT I Mở đầu II Nuôi cấy tế bào động vật có vú Các ưu điểm hạn chế nuôi cấy tế bào động vật 1.1 Các ưu điểm nuôi cấy tế bào động vật 1.2 Một số hạn chế nuôi cấy tế bào động vật Các dòng tế bào động vật có vú đặc điểm 2.1 Các tế bào dịch huyền phù 2.2 Các tế bào dính bám 140 140 141 141 141 143 143 143 144 Các sản phẩm thương mại nuôi cấy tế bào động vật có vú 144 Glycosyl hóa protein Môi trường nuôi cấy tế bào động vật có vú Ni cấy tế bào động vật có vú quy mô lớn 145 147 149 360 6.1 Các điều kiện chung 6.2 Nuôi cấy mẻ 6.3 Nuôi cấy mẻ có cung cấp chất dinh dưỡng 6.4 Ni cấy thể ổn định hóa tính 6.5 Ni cấy perfusion 6.6 Số lượng chất lượng sản phẩm III Công nghệ di truyền tế bào động vật có vú Các phương pháp chuyển nạp gen 1.1 Phương pháp chuyển nhiễm 1.2 Phương pháp lipofection 1.3 Phương pháp xung điện 1.4 Phương pháp vi tiêm 1.5 Phương pháp dùng súng bắn gen 1.6 Phương pháp dùng vector virus Các điều kiện cần thiết cho biểu gen ngoại lai Các điều kiện thực nghiệm tối ưu Đồng chuyển nạp gen thị gen thực nghiệm Kỹ thuật tế bào mầm phôi, chuyển gen tái tổ hợp tương đồng 149 150 152 152 154 156 158 159 159 159 160 161 163 163 165 167 167 169 IV Nuôi cấy tế bào mầm để sản xuất quan người Ứng dụng tế bào mầm phôi nghiên cứu Nghiên cứu chức gen Nghiên cứu mô hình bệnh lý Ứng dụng y học tái tạo V Cơng nghệ phơi động vật có vú Cấy truyền hợp tử Bảo quản phôi 171 172 173 173 173 175 175 175 Nuôi cấy tạm thời phôi thể sống Kỹ thuật bọc phôi agar Kỹ thuật nuôi cấy tạm thời phơi ống dẫn trứng VI Nhân vơ tính động vật có vú Khái niệm 176 176 176 177 177 361 Nhân vơ tính động vật Nhân vơ tính cừu Dolly 177 178 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 181 Chƣơng CÔNG NGHỆ PROTEIN I Mở đầu II Cấu trúc protein III Các cơng cụ Nhận dạng trình tự Xác định cấu trúc mơ hình hóa 182 182 183 184 184 185 Biến đổi trình tự Phát triển phân tử Thiết kế trình tự de novo Biểu Phân tích IV Một số ứng dụng công nghệ protein Các đột biến điểm 1.1 Betaseron/Betaferon 185 188 190 190 191 192 192 192 1.2 Humalog 1.3 Các tá dược vaccine Sắp xếp lại vùng 2.1 Các vùng liên kết 2.2 Trao đổi vùng protein Sắp xếp lại toàn protein Các tương tác protein-phối tử 4.1 Biến đổi enzyme 4.2 Các chất chủ vận hormone 4.3 Thay liên kết đặc hiệu V Sản xuất protein quy mô lớn Lên men E coli tái tổ hợp Lên men nấm Các enzyme vi sinh vật thay enzyme thực vật 192 193 194 194 195 196 197 197 197 197 198 199 200 200 362 Các nguyên tắc hóa sinh 4.1 Sự cảm ứng 4.2 Ức chế ngược 4.3 Ức chế dinh dưỡng Công nghệ di truyền VI Các trình tách chiết tinh protein Thu hồi protein 1.1 Thu hồi protein ngoại bào 1.2 Thu hồi protein nội bào Tinh sơ 201 201 202 204 205 207 209 209 209 216 2.1 Loại bỏ mảnh vỡ tế bào 2.2 Ly tâm mẻ 2.3 Ly tâm dòng chảy liên tục 2.4 Lọc màng Hệ phân tách hai pha nước Các phương pháp kết tủa 4.1 Kết tủa ammonium 4.2 Kết tủa dung môi hữu 216 216 217 217 218 220 220 220 4.3 Kết tủa polymer khối lượng phân tử cao 4.4 Kết tủa nhiệt Các phương pháp sắc ký 5.1 Sắc ký lọc gel 5.2 Sắc ký trao đổi ion 5.3 Sắc ký lực 5.4 Sắc ký tương tác kỵ nước 5.5 Các kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu suất cao Siêu lọc 221 221 221 222 224 227 230 230 231 Thiết kế protein để tinh 7.1 Các thể vùi 7.2 Các đuôi lực Tài liệu tham khảo/đọc thêm 232 232 233 236 363 Phần II CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC 237 Chƣơng CÁC ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP I Mở đầu II Cải thiện nhân nhanh giống trồng Nhân giống vô tính in vitro Sản xuất đơn bội in vitro 2.1 Phương pháp tạo thể đơn bội in vivo 2.2 Phương pháp tạo thể đơn bội in vitro Dung hợp protoplast hay lai vơ tính tế bào thực vật 238 238 238 239 240 240 241 241 3.1 Dung hợp protoplast hóa chất 3.2 Dung hợp protoplast điện Chọn dòng biến dị soma Chuyển gen vào trồng 5.1 Cây lúa 5.2 Cây lúa mì 5.3 Cây lúa mạch 5.4 Cây đậu tương 5.5 Cây đậu tây 5.6 Cây 5.7 Cố định đạm III Chăn nuôi thú y Kỹ thuật cấy chuyển phơi Tạo chế phẩm phịng tránh bệnh cho động vật Chuyển gen vào động vật IV Chế biến thực phẩm Sản xuất sữa 1.1 Sản xuất sữa chua 1.2 Sản xuất phomát Chế biến tinh bột Sản xuất nước uống lên men 3.1 Sản xuất bia 242 242 243 244 244 246 247 247 248 248 249 250 250 250 251 252 253 253 255 257 257 258 364 3.2 Sản xuất rượu vang 3.3 Sản xuất rượu trắng 259 262 Các sản phẩm chứa protein 4.1 Thực phẩm lên men truyền thống giàu protein 4.2 Protein vi khuẩn đơn bào Chế biến rau Tài liệu tham khảo/đọc thêm 265 265 265 268 268 Chƣơng CÁC ỨNG DỤNG TRONG Y-DƢỢC I Mở đầu 270 270 II Vaccine Các phương thức tiêm chủng vaccine 1.1 Các vaccine bất hoạt 1.2 Các vaccine sống nhược độc Vai trò cơng nghệ di truyền nhận dạng, phân tích sản xuất vaccine 270 271 271 272 272 2.1 Nhận dạng tạo dịng kháng ngun có tiềm vaccine 2.2 Phân tích kháng nguyên vaccine 272 2.3 Sản xuất vaccine tiểu đơn vị Cải thiện sản xuất vaccine sống nhược độc 3.1 Cải thiện vaccine sống nhược độc 3.2 Các vector sống tái tổ hợp Các hướng tiếp cận khác sản xuất vaccine 4.1 Các DNA vaccine 4.2 Các peptide vaccine 4.3 Kháng kiểu gen cá thể 274 275 275 275 278 278 279 279 III Kháng thể đơn dòng Sản xuất hybridoma cách dung hợp tế bào sinh dưỡng Sản xuất kháng thể đơn dịng cơng nghệ DNA tái tổ hợp 2.1 Phân lập gen immunoglobulin 273 280 280 281 281 365 2.2 Biểu scFV bề mặt bacteriophage Kháng thể đơn dòng nghiên cứu Sinh-Y 282 282 Kháng thể đơn dịng chẩn đốn điều trị bệnh IV Liệu pháp gen Các loại liệu pháp gen 1.1 Liệu pháp soma 1.2 Liệu pháp gen tế bào mầm Các ứng dụng liệu pháp gen chữa bệnh 2.1 Bệnh thiếu hụt miễn dịch phối hợp trầm trọng 2.2 Bệnh ung thư 283 284 285 285 285 286 286 287 2.3 Bệnh thiếu máu hồng cầu liềm 2.4 Bệnh xơ nang 2.5 Bệnh HIV/AIDS V Protein trị liệu Sản xuất hormone 1.1 Hormone sinh trưởng người 1.2 Somatostatin Sản xuất enzyme 288 290 291 292 292 292 292 293 Sản xuất thuốc nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp 3.1 Sản xuất insulin 3.2 Sản xuất interferon 3.3 Sản xuất interleukin VI Chẩn đoán bệnh để can thiệp sớm Chẩn đốn sớm giới tính thai Chẩn đốn sớm dị hình, qi thai trước sinh Chẩn đốn phát tác nhân gây bệnh ngoại lai Chẩn đoán bệnh di truyền 293 293 294 295 296 296 297 298 299 In dấu DNA Tài liệu tham khảo/đọc thêm 300 301 Chƣơng CÁC ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƢỜNG I Mở đầu 302 302 366 II Xử lý nước thải Xử lý hiếu khí hệ thống bùn hoạt tính 302 303 Xử lý yếm khí Thu hồi nước III Phân hủy bùn hữu IV Xử lý chất thải rắn V Xử lý khí thải Loại bỏ hợp chất vô dễ bay Loại bỏ hợp chất sulphur nitrogen từ khí ống khói phương pháp sinh học 304 305 306 309 311 311 315 VI Phân hủy chất rắn Kích thích sinh học tăng sinh học Các kỹ thuật phân hủy chất rắn 2.1 Phân hủy sinh học chỗ 2.2 Landfarming 2.3 Các bể phản ứng sinh học pha bùn VII Xử lý nước ngầm Sự phục hồi hoạt động Sự suy giảm tự nhiên giám sát 317 317 318 318 318 319 320 320 322 Tài liệu tham khảo/đọc thêm 323 Phụ lục MỘT SỐ THUẬT NGỮ CƠ BẢN Tài liệu tham khảo/đọc thêm 324 355 MỤC LỤC 356 367 ... có Nhập môn Công nghệ sinh học sách đầu tư hợp lý ưu tiên cho công nghệ sinh học Dưới lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học quan tâm hàng đầu Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học 3.1 Công nghệ. .. vật Nhập môn Công nghệ sinh học 3.2 Công nghệ sinh học y dược Có lẽ thành tựu cơng nghệ sinh học thể rõ nét lĩnh vực y học Hiện nay, hầu hết sản phẩm quan trọng sau sản xuất sở công nghệ sinh học, ... protein) + Tin sinh học (bioinformatics) + Công nghệ sinh học nano (nanobiotechnology) + Hoạt chất sinh học (bioactive compounds) Nội dung khoa học công nghệ sinh học Công nghệ sinh học phân loại