Giáo trình công nghệ sinh học đại cương

Dưới đây là tóm tắt các điểm chính:

1. Khái niệm và Quan hệ của CNSH:

• CNSH là tập hợp các ngành khoa học – công nghệ về sự sống, khai thác các quá trình sinh học, hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào động thực vật và mô phỏng ở quy mô công nghiệp.
• Nó kết hợp các nguyên lý sinh học với công nghiệp sinh học, bao gồm công nghệ gen, công nghệ vi sinh vật, công nghệ tế bào, công nghệ enzym, sinh học phân tử, v.v.
• Sự ra đời và phát triển của CNSH có quan hệ chặt chẽ với sự tích lũy tri thức toán học, vật lý, hóa học, các khoa học về trái đất, không gian và thành tựu của các cuộc cách mạng công nghiệp.

2. Lịch sử và Giai đoạn phát triển của CNSH:

• Trước khi có khái niệm CNSH: Con người đã biết sản xuất rượu, bia, chế phẩm sữa, axit hữu cơ, kháng sinh.
• Giai đoạn 1960 – 1975: Phát triển công nghệ tế bào thực vật (nuôi cấy mô) để sản xuất cây giống sạch bệnh, sản xuất axit amin, enzym, kháng sinh bằng công nghiệp lên men.
• Giai đoạn sau 1975: Hình thành kỹ thuật ADN tái tổ hợp, sản xuất thuốc chữa bệnh (insulin, interferon, vacxin) nhờ kỹ thuật tái tổ hợp ADN và chuyển gen, phát triển các bộ kit chẩn đoán bệnh, cấy truyền hợp tử, nhân bản động vật, và nhân giống cây sạch bệnh quy mô lớn.

3. Các Phát minh căn bản dẫn đến sự ra đời của CNSH:

• Phát minh ra tế bào: Robert Hooke (1665) đưa ra khái niệm “Cell”, Anton Van Leuwen Hoek quan sát thấy vi khuẩn, Matthias Schleiden và Theodore Schwann (1838) đề xướng Học thuyết tế bào.
• Phát minh sự phân hóa của tế bào: Giải thích sự phát triển của cơ thể sống không chỉ là sự phóng đại hình nhân mà là quá trình hình thành dần dần các cơ quan.
• Phát minh quá trình tiến hóa và vật liệu di truyền: Charles Darwin (1859) với học thuyết tiến hóa, Gregor Mendel với quy luật di truyền, và sau này là việc xác định ADN là vật liệu di truyền (Oswald Avery, 1944).
• Phát minh vai trò của ADN: James Watson và Francis Crick (1953) phát minh cấu trúc sợi kép của ADN, giải thích khả năng tự sao chép và di truyền. G. Gamow (1953) và Han Gobind Khorana, Marshall Nirenberg (1966-1967) phát minh mã di truyền.
• Tổng hợp gen, kỹ thuật ADN tái tổ hợp và thao tác di truyền: Jacob F. và Mono J. (1960) phát minh khái niệm Operon và vai trò của mARN. Arthur Kornberg (1967) tổng hợp ADN virus, Khorana H.G (1970) tổng hợp gen nhân tạo. Paul Berg (1972) tạo phân tử ADN tái tổ hợp đầu tiên. S. Cohen và H. Boyer (1973) hoàn chỉnh phương pháp chuyển gen ngoại lai vào vi khuẩn.
• Phát minh mới về vai trò của các ARN: Sidney Altman và Thomas Cech (1989) phát hiện ARN có khả năng hoạt động như chất xúc tác (Ribozym). Các ARN ngắn (siARN, miARN) có vai trò quan trọng trong điều khiển biểu hiện gen (Andrew Fire và Craig Mello, 2006).

4. Khám phá Bản chất của Sự sống và Vai trò của Gen:

• Sự sống được đặc trưng bởi khả năng sinh sản, trao đổi chất, di truyền, biến dị và tiến hóa, tất cả đều do ADN quy định.
• Gen và cấu trúc của gen quyết định mọi đặc tính của cơ thể sống và tính đa dạng của hệ sinh thái. ADN (với 4 loại nucleotid và 64 codon) có khả năng tạo ra sự đa dạng vô cùng tận của sự sống.
• Gen quy định cấu trúc của ARN thông tin, ARN thông tin quy định cấu trúc của protein (enzym và protein cấu trúc), từ đó điều khiển mọi quá trình hóa học trong cơ thể sống.
• Khả năng nhân đôi của ADN là nền tảng của sinh sản và tiến hóa. Biến dị là nền tảng của chọn lọc tự nhiên và tiến hóa.

5. Cải tạo Di truyền các Cơ thể sống:

• Các phương thức cơ bản bao gồm: thay đổi trình tự nucleotid của gen (cấu trúc và điều hành), thay đổi vị trí của gen trong genom, kiểm soát và thiết kế hệ điều khiển hoạt hóa gen, chuyển gen từ loài này sang loài khác, lai hữu tính và vô tính tạo tổ hợp gen mới, gây đột biến gen theo định hướng.

6. Một số Lĩnh vực Ứng dụng của CNSH:

• CNSH Thực vật: Công nghệ vi nhân giống, làm sạch bệnh, bảo tồn nguồn gen, cứu phôi, công nghệ đơn bội, đột biến tế bào soma, thao tác di truyền và chuyển gen, marker phân tử hỗ trợ chọn giống.
• CNSH Động vật: Thụ tinh trong ống nghiệm, thụ tinh nhân tạo, cấy truyền hợp tử/phôi, liệu pháp hormon, tạo động vật chuyển gen, thức ăn bổ sung chăn nuôi.
• CNSH Y Dược: Kháng thể đơn dòng (chẩn đoán bệnh), mẫu dò DNA, vacxin tái tổ hợp, thuốc chữa bệnh (insulin, interferon), liệu pháp gen, sinh con theo giới tính chọn lọc, xác định phả hệ/tội phạm bằng phân tích ADN.
• CNSH Công nghiệp: Sản xuất hợp chất hóa học (cồn, axit), kháng sinh, enzym, protein đơn bào, chất đốt/nhiên liệu tái sinh (bioethanol, biogas), thu hồi khoáng chất, cố định enzym, thay đổi cấu trúc protein/enzym bằng công nghệ gen, sản xuất vi sinh vật/tế bào có khả năng sản sinh protein hữu ích.
• CNSH Môi trường Sinh thái: Phân giải chất thải hữu cơ, xử lý độc tố môi trường, xử lý ô nhiễm dầu mỏ, sản xuất chế phẩm sinh học kiểm soát sâu bệnh, tạo giống cây trồng kháng sâu bệnh/chất diệt cỏ, sản xuất chất dẻo sinh học, tăng cường cố định CO2.

7. Công nghệ Tế bào Thực vật:

• Giới thiệu sự khác biệt giữa tế bào tiền nhân và tế bào nhân thực.
• Đặc trưng cơ bản của tế bào sống:
  • Khả năng phân bào và phân hóa: Chu kỳ tế bào (G1-S-G2-M) và các gen điều khiển (MPF, cyclins, Cdks, P53, P27). Ứng dụng trong chẩn đoán và ngăn ngừa ung thư, nhân bản tế bào, sản xuất sinh khối, vi nhân giống, sản xuất hạt nhân tạo.
  • Khả năng trao đổi chất: Tế bào là nhà máy sinh học sản xuất hàng vạn hợp chất hữu cơ (ví dụ: taxol, vacxin). Xu hướng canh tác phân tử.
  • Là kho lưu trữ thông tin và đơn vị tiến hóa: Thông tin di truyền trong ADN của tế bào, khả năng tái sinh thành cơ thể hoàn chỉnh, là đơn vị thao tác di truyền (kỹ thuật gen, đột biến soma, lai ghép tế bào trần).
  • Là nhà máy năng lượng mặt trời: Hấp thụ năng lượng mặt trời, tạo chất hữu cơ, dưỡng khí, hấp thụ CO2, phân ly nước thành hydro nguyên tử.

8. Hướng khai thác đặc trưng cơ bản của tế bào trong tạo giống:

• Xây dựng hệ thống tái sinh nâng cao hiệu quả chuyển gen.
• Kỹ thuật đơn bội tạo giống mới và dòng thuần (nuôi cấy bao phấn, hạt phấn, noãn chưa thụ tinh).
• Thụ tinh nhân tạo, nuôi cấy và tái sinh tế bào trứng, hợp tử, nội nhũ non thành cây in vitro.
• Công nghệ tế bào tạo giống cây ăn quả không hạt, chất lượng cao và cây lâm nghiệp ưu thế lai thông qua nuôi cấy nội nhũ tam bội (phương pháp nuôi cấy nội nhũ tam bội, cứu phôi, tạo giống đa bội thể 4n).

9. Các ứng dụng khác của kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào:

• Kỹ thuật nuôi cấy đỉnh sinh trưởng tạo giống sạch bệnh và nhân giống nhanh (Morel và Martin, 1952).
• Kỹ thuật nuôi cấy, tái sinh tế bào trần và lai tế bào soma (Cocking, 1960).