2.1. Đặc điểm của S. cerevisiae
- S. cerevisiae là tế bào nhân chuẩn đơn bào, được dùng làm đối tượng
mơ hình cho nghiên cứu sinh vật nhân chuẩn.
- Ứng dụng sớm trong lên men rượu và làm bánh mì. Hiện nay ứng dụng trong cơng nghiệp lên men rượu với quy mơ lớn.
- Đối tượng sinh vật nhân chuẩn đơn bào dùng để sản xuất protein tái tổ hợp.
2.1.1. Cấu tạo và sinh sản của S. cerevisiae
- Phân loại: Giới: Nấm Ngành: Ascomycota Lớp: Saccharomycetes Bộ: Saccharomycetales Họ: Saccharomycetaceae Giống: Saccharomyces
Lồi: Saccharomyces cerevisiae
- Saccharomyces cerevisiae là sinh vật đơn bào, tế bào giống như ở động
và thực vật [9].
- S. cerevisiae thường cĩ dạng hình trịn hay bầu dục. Tế bào nấm men
thường lớn gấp 10 lần so với vi khuẩn. Kích thước thay đổi trong khoảng (3 –
10)μm x (4,5 – 15)μm.
SVTH: Lê Thanh Quỳnh Trang 20
Hình 2.12: Khuẩn lạc S. cerevisiae trên mơi trường Hansen
- Nhân của tế bào S. cerevisiae cĩ chứa 17 đơi nhiễm sắc thể. Ngồi nhiễm sắc thể, trong nhân tế bào S. serevisiae cịn cĩ thể cĩ plasmid cĩ cấu tạo
là 1 phân tử DNA vịng chứa 6300 đơi base và cĩ kích thước 2μm, cĩ khả năng sao chép độc lập, mang thơng tin di truyền, cĩ vai trị quan trọng trong thao tác chuyển gen của kĩ thuật di truyền[3].
- Cũng như các cơ thể sống khác, thành phần chủ yếu của tế bào nấm men là nước (chiếm khoảng 75% khối lượng chung). Thành phần sinh khối khơ của nấm men :
Chất vơ cơ 5 – 10 Cacbon 25 – 50 Nitơ 4,8 – 12 Protein (N x 6,25) 30 – 75 Lipid 2 – 5
- Chất khơ của tế bào nấm men gồm 23 – 28% là chất hữu cơ và 5 – 7% là chất tro. Chất hữu cơ gồm: protein 13 – 14%, glycogen 6 – 8%, cellulose 1,8 – 2%, chất béo 0,5 – 2%.
Protein: nấm men cĩ hàm lượng protein trung bình khoảng 50% (tính theo chất khơ) và khoảng 45% chất khơ protein hồn chỉnh. Các dẫn xuất của acid nucleic như base, purin, pyrimidin, các acid amin tự do đều được coi là nguyên liệu.
Glycogen: là chất dự trữ nguồn cacbon. Khi trong mơi trường thiếu nguồn cacbon dinh dưỡng, glycogen sẽ được huy động tham gia vào quá trình tiêu hĩa của nấm men và giải phĩng ra nước, CO2.
SVTH: Lê Thanh Quỳnh Trang 21
Chất béo: gồm acid oleic, linoelic, palmitic. Trong chất béo cĩ 30 – 40% phosphatide.
Tro: gồm các oxide sau: P2O5 khoảng 25 – 60%, CaO 1 – 8%, MgO 4 – 6%, Na2O 0,5 – 2%, SO2 0,5 – 6%, SiO2 1 – 2%, Fe2O3 0,05 – 0,7%.
- Nấm men S. cerevisiae cĩ nhiều phương thức sinh sản khác nhau:
Sinh sản vơ tính: Tế bào nảy chồi đa cực, đơi khi cĩ khuẩn ty giả.
Sinh sản hữu tính: Bào tử túi. Túi khá bền và hình thành trực tiếp từ một tế bào lưỡng bội. Mỗi túi cĩ chứa 1-4 (ít khi nhiều hơn). Bào tử túi hình ơ van, trịn nhẵn.
- Chu kì sống của nấm men S. cerevisiae: cĩ 2 giai đoạn đơn bội và
lưỡng bội. Đầu tiên tế bào dinh dưỡng đơn bội (n) sinh sơi nảy nở theo kiểu nảy chồi. Sau đĩ hai tế bào đơn bội tiếp hợp với nhau, cĩ sự trao đổi của tế bào chất và nhân, tạo ra tế bào lưỡng bội (2n). Tế bào lưỡng bội lại nảy chồi thành nhiều tế bào lưỡng bội khác, cuối cùng hình thành hợp tử. Sau quá trình giảm phân nhân của hợp tử thành bốn nhân đơn bội. Mỗi nhân đơn bội được bao bọc tế bào chất, hình thành màng, tạo thành bốn bào tử nằm trong một túi gọi là bào tử túi. Khi túi vỡ, bào tử ra ngồi phát triển thành tế bào dinh dưỡng và lại phân chia theo lối này rồi tiếp tục chu trình sống. Trong vịng đời của nấm men cĩ sự luân phiên sinh sản vơ tính và hữu tính với các giai đoạn đơn bội và lưỡng bội khác nhau[9].
- Sự hình thành nang bào tử trong điều kiện thiếu CO2 ở Saccharomyces
cerevisiae được kích thích khi nồng độ oxy 12% và nồng độ oxy 41,1% thì
giảm cũng khơng đáng kể. Tuy nhiên khi oxy đạt nồng độ 68,8% và 100% thì khả năng hình thành nang bào tử sẽ giảm rất rõ. CO2 kiềm hãm sự hình thành nang bào tử và rất ít nang bào tử được hình thành ở nồng độ CO2 25% hoặc cao hơn. Hơi nước từ dung dịch ethanol 5% ức chế đáng kể sự hình thành bào tử (Adams và Miller - 1954) [26].
- S. cerevisiae phát triển ở nhiệt độ tối ưu là 30°C, thời gian nhân đơi
SVTH: Lê Thanh Quỳnh Trang 22
- Nấm men Saccharomyces cerevisiae phân bố rất rộng rãi trong tự
nhiên: trong đất, trong nước, trong khơng khí, trong trái cây, nước ngọt, nước nho ép trước khi lên men thành rượu, rượu táo, rượu vang, rượu sake, bia, quả ơliu, salads, bột mì, bánh mì, kefir, yogurt, phơ mai, kem [23].
2.1.2. Nhu cầu dinh dưỡng
- Saccharomyces cerevisiae cĩ khả năng phát triển trên các nguồn
cacbon khác nhau, glucose được sử dụng phổ biến nhất. Ngồi ra fructose, maltose, saccharose, galactose và các dextrin đơn giản cũng được sử dụng.
Nhưng S. cerevisiae khơng cĩ enzyme polyhydrolase trong đĩ cĩ amylase và
cellulose vì vậy nấm men khơng sử dụng trực tiếp được tinh bột cũng như cellulose và hemicelulose. Cịn lactose, pentose cũng hồn tồn khơng sử dụng
được. Với raffinose chỉ sử dụng được một phần ba. S. cerevisiae cũng cĩ thể
tồn tại trên nguồn cacbon khơng lên men như glycerol, ethanol và acetate (3% glycerol, 3% ethanol, 3% acetate). Tùy từng ứng dụng, cĩ thể phối trộn nhiều cacbon vào mơi trường nuơi cấy.
- Nấm men S. cerevisiae khơng đồng hĩa được nitrate. Nguồn nitơ vơ cơ
được sử dụng tốt là các muối ammonium của acid vơ cơ cũng như hữu cơ, đĩ là ammonium sulphate, phosphate, muối acetate, lactate, succinate. Các nguồn nitơ hữu cơ thường là hỗn hợp các acid amin, các peptide, các nucleotide… Trong thực tế thường dùng cao nấm men, cao ngơ, dịch thủy phân protein tự nhiên (đậu tương, khơ lạc…) làm nguồn nitơ hữu cơ.
- Đối với các nguyên tố vơ cơ thì phospho được quan tâm trước hết. S.
cerevisiae sử dụng rất tốt nguồn phospho vơ cơ là orthophosphate, thường
dùng muối K2HPO4 và KH2PO4 làm nguồn P và K. Kế đến là nguyên tố lưu huỳnh vì là thành phần của một vài acid amin trong phân tử protein. Trong nuơi cấy nấm men thường cĩ (NH4)2SO4 làm nguồn N và S. Vài ion kim loại
như kali, magie, canxi, sắt, kẽm cũng cần cĩ trong mơi trường nuơi cấy S.
cerevisiae.
- Những nhân tố sinh trưởng cơ bản đối với nấm men S. cerevisiae là 6
SVTH: Lê Thanh Quỳnh Trang 23
- Trong cơng nghiệp thường dùng các nguồn vitamin là cao ngơ, cao nấm men, nước chiết cám (cám gạo, cám mì), dịch thủy phân đậu tương bằng enzyme và đặc biệt là rỉ đường (cung cấp biotin).
- Saccharomyces cerevisiae khác với các lồi nấm men khác nhờ vào đặc
tính sinh trưởng và các đặc điểm sinh lý: phần lớn lồi này cĩ khả năng lên men đường. Đặc tính cơ bản nhất của nấm men được phân loại dựa vào khả năng sử dụng các nguồn cacbon khác nhau[17][35].
2.2. Ứng dụng của Saccharomyces cerevisiae
- Nấm men cĩ nhiều ứng dụng trong sản xuất cơng nghiệp như cơng nghiệp sản xuất cồn, sinh khối (thực phẩm, men bánh mì, bổ sung vào thức ăn chăn nuơi) và các sản phẩm trao đổi chất khác. Trong những năm gần đây, nấm men cịn được sử dụng để sản xuất enzyme, vitamin, polysaccharide, carotenoid, ethanol, CO2, glycerin, acid hữu cơ và các hợp chất được tổng hợp bằng cách tái tổ hợp DNA vào nấm men. Trong các sản phẩm nĩi trên cĩ nhiều sản phẩm được sản xuất ở quy mơ thương mại.
- S. cerevisiae và các chủng nấm men khác từ hạt ngũ cốc được dùng để
sản xuất rượu chưng cất. Ngày nay nấm men dùng trong sản xuất ethanol được cải tiến bằng cách biến đổi gen và hợp nhất với tế bào trần để tăng năng suất cho quá trình sản xuất. Trước đây, việc sản xuất ethanol chủ yếu bằng phương pháp tổng hợp hĩa học từ dầu. Nhưng hiện nay, phần lớn lượng ethanol được sản xuất bằng nấm men (cao hơn 87% so với phương pháp hĩa học).
- Enzyme invertase của nấm men S. cerevisiae được sử dụng rộng rãi
trong cơng nghiệp sản xuất bánh kẹo và mứt.
- S. cerevisiae được dùng làm tế bào chủ để sản xuất DNA tái tổ hợp.
Một số sản phẩm được tiết ra bởi nấm men S. cerevisiae chứa gen tái tổ hợp:
α-amylase của lúa mì, nhân tố phát triển biểu bì ở người, nhân tố giải phĩng hormone tăng trưởng ở người, albumin huyết thanh người, nhân tố tăng trưởng insulin của người, prochymosin, insulin và somatostation. Interferon-γ của người được tạo ra 5 – 10% tổng lượng protein của tế bào hemoglobin người,
SVTH: Lê Thanh Quỳnh Trang 24
kế tiếp là hemendogenous chiếm 2 – 3% tổng số protein. Superoxide dismutase của người được tạo ra trong pha ổn định của tế bào[12][1].