Bài giảng chương 1: Công nghệ sinh học

Lời nói đầu Công nghệ tế bào là một bộ phận quan trọng của công nghệ sinh học, chủ yếu nghiên cứu các quá trình nuôi cấy tế bào động-thực vật và vi sinh vật để sản xuất sinh khối, sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học (enzyme, vaccine, các chất thứ cấp…), để làm mô hình thực nghiệm khảo sát các tác động của hoá chất, làm nguyên liệu ghép tế bào và cơ quan… Mặc dù, các kỹ thuật nuôi cấy tế bào chỉ được phát triển vào nửa đầu thế kỷ 20, nhưng đến nay các ứng dụng của chúng đã có những bước tiến vượt bậc nhờ sự đóng góp của công nghệ DNA tái tổ hợp. Bên cạnh các giáo trình như: sinh học phân tử, nhập môn công nghệ sinh học, công nghệ DNA tái tổ hợp, công nghệ chuyển gen… giáo trình công nghệ tế bào sẽ giúp sinh viên tiếp cận thêm một lĩnh vực khác của công nghệ sinh học thông qua việc cung cấp những kiến thức cơ bản về các vấn đề sau: - Sinh trưởng và động học sinh trưởng của tế bào. - Thiết kế các hệ lên men. - Nuôi cấy tế bào và các ứng dụng của chúng. Giáo trình công nghệ tế bào được biên soạn theo hướng khảo sát một quá trình sinh học mang tính công nghệ nhiều hơn cả đó là quá trình lên men ứng dụng cho cả tế bào vi sinh vật, lẫn tế bào động-thực vật trong các thiết bị nuôi cấy (bioreactor/fermenter). Do đó, một số ứng dụng khác của các kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào nói chung chúng tôi không đưa vào giáo trình này. Lĩnh vực công nghệ tế bào rất rộng và đa dạng, hơn nữa giáo trình này mới được xuất bản lần đầu tiên nên khó tránh khỏi thiếu sót hoặc chưa đáp ứng được yêu cầu bạn đọc. Vì thế, chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp để lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn. Tác giả Chương 1 Mở đầu I. Công nghệ sinh học Đến nay có rất nhiều định nghĩa và cách diễn đạt khác nhau về công nghệ sinh học tùy theo từng tác giả và tổ chức. Tuy nhiên, công nghệ sinh học (biotechnology) có thể được định nghĩa một cách tổng quát như sau: “Công nghệ sinh học là các quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp mà nhân tố tham gia trực tiếp và quyết định là các tế bào sống (vi sinh vật, thực vật và động vật). Mỗi tế bào sống của cơ thể sinh vật hoạt động trong lĩnh vực sản xuất này được xem như một lò phản ứng nhỏ”. Nếu công nghệ sinh học được định nghĩa theo hướng trên thì nó không thể được thừa nhận là một lĩnh vực khoa học mới. Bởi vì, từ xa xưa loài người đã biết sử dụng các vi sinh vật để lên men bánh mì và thực phẩm, cho dù họ không biết cơ chế của những biến đổi sinh học này là như thế nào. Loài người cũng đã biết từ rất lâu việc lai tạo động vật và thực vật để cải thiện năng suất vật nuôi và cây trồng được tốt hơn. Vì thế, công nghệ sinh học được định nghĩa như trên được xem như công nghệ sinh học truyền thống. Tuy nhiên, trong những năm gần đây thuật ngữ công nghệ sinh học thường được sử dụng nhằm đề cập đến những kỹ thuật mới như DNA tái tổ hợp và dung hợp tế bào, và được xem là lĩnh vực công nghệ sinh học hiện đại. 1. Công nghệ DNA tái tổ hợp (DNA recombinant technology) Là những kỹ thuật cho phép thao tác trực tiếp nguyên liệu di truyền của các tế bào riêng biệt, có thể được sử dụng để phát triển các vi sinh vật sản xuất các sản phẩm mới cũng như các cơ thể hữu ích khác. Những kỹ thuật này còn được gọi là 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 Công nghệ tế bào 2 technology)... Mục tiêu chính của công nghệ DNA tái tổ hợp là gắn một gen ngoại lai (foreign gene) mã hóa cho một sản phẩm mong muốn vào trong các dạng DNA mạch vòng (plasmid vector) và sau đó đưa chúng vào trong một cơ thể vật chủ, sao cho gen ngoại lai có thể biểu hiện để sản xuất sản phẩm của nó từ cơ thể này. 2. Dung hợp tế bào (cell fusion) Là quá trình hình thành một tế bào lai đơn (single hybrid cell) với nhân và tế bào chất từ hai loại tế bào riêng biệt để tổ hợp các đặc điểm mong muốn của cả hai loại tế bào này. Chẳng hạn, các tế bào đặc biệt của hệ thống miễn dịch có thể sản xuất ra các kháng thể hữu ích. Tuy nhiên, các tế bào này thường khó nuôi cấy vì tốc độ sinh trưởng của chúng rất chậm. Mặt khác, các tế bào khối u nhất định nào đó có các đặc điểm bất tử và phân chia nhanh. Bằng cách dung hợp hai tế bào này, một tế bào lai hybridoma có thể được tạo ra mang cả hai tính trạng trên. Các kháng thể đơn dòng (monoclonal antibodies-Mabs) được sản xuất từ các tế bào lai, được dùng để chẩn đoán, điều trị bệnh và tinh sạch protein. 3. Ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại Các ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại là rất nhiều (Bảng 1.1). Các dược phẩm hiếm và đắt triền trước đây như insulin để chữa bệnh đái tháo đường, hormone sinh trưởng người để điều trị bệnh còi của trẻ em, interferon để chống viêm nhiễm, vaccine phòng bệnh và các kháng thể đơn dòng dùng để chẩn đoán... có thể được sản xuất bằng các tế bào được biến đổi di truyền hoặc các tế bào lai rẻ tiền với số lượng lớn. Các con giống sạch bệnh hoặc khoẻ mạnh hơn, các vật nuôi dùng làm thực phẩm có sản lượng cao có thể được phát triển, các loài cây trồng quan trọng có thể được biến đổi di truyền để có các tính trạng chống chịu stress, chống chịu chất diệt cỏ và kháng côn trùng. Hơn nữa, công nghệ DNA tái tổ hợp có thể được ứng dụng để phát triển các vi sinh vật được biến đổi di truyền (genetically modification) sao cho chúng có thể sản xuất các hợp chất hóa học khác nhau với sản lượng cao hơn các vi sinh vật bình thường. Công nghệ tế bào 3 Bảng 1.1. Các ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại. Lĩnh vực Các sản phẩm hoặc các ứng dụng Dược phẩm Kháng sinh, kháng nguyên (kích thích các đáp ứng kháng thể), endorphin (chất dẫn truyền thần kinh), γ- globulin (ngăn cản sự viêm nhiễm), hormone sinh trưởng người (điều trị trẻ em bị bệnh còi), albumin huyết thanh người (điều trị chấn thương cơ thể), các nhân tố điều hòa miễn dịch, insulin, interferon (điều trị bệnh viêm nhiễm), interleukin (điều trị các bệnh nhiễm trùng và ung thư), lymphokine (phản ứng miễn dịch điều chỉnh), kháng thể đơn dòng (chẩn đoán hoặc phân phối thuốc), peptide hoạt hóa thần kinh (bắt chước các peptide điều khiển sự đau của cơ thể), các nhân tố hoạt hóa plasminogen của mô (hòa tan các cục máu đông), vaccine. Chăn nuôi-Thú y Phát triển các con giống sạch bệnh và mạnh khoẻ hơn, các gia súc cho thịt có sản lượng cao hơn. Trồng trọt Chuyển các tính trạng chống chịu stress, kháng côn trùng và chất diệt cỏ vào các loài cây trồng, phát triển các giống cây trồng có khả năng tăng quá trình quang hợp và cố định đạm, phát triển các thuốc trừ sâu sinh học và các vi khuẩn nhân không đóng băng (non-ice nucleating). Các hóa chất đặc biệt Các amino acid, enzyme, vitamin, lipid, các chất thơm được hydroxyl hóa, các polymer sinh học. Các ứng dụng môi trường Ngâm chiết khoáng, cô đặc kim loại, kiểm soát sự ô nhiễm, phân hủy chất thải độc và thu hồi dầu loang. Các hóa chất thương mại Acetic acid, acetone, butanol, ethanol, nhiều sản phẩm khác từ các quá trình biến đổi sinh khối. Điện tử sinh học Biosensor, biochip. Công nghệ tế bào 4 II. Công nghệ tế bào Các công nghệ DNA tái tổ hợp hoặc dung hợp tế bào được khởi đầu bởi những nghiên cứu thuần túy và các kết quả cuối cùng có thể phát triển thành một loại tế bào mới có thể sản xuất sản phẩm với số lượng ít ỏi ở qui mô phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các kết quả nói trên lại rất có ý nghĩa thương mại và vì thế nó đòi hỏi phải phát triển thành quy trình công nghiệp với một công nghệ khả thi và có hiệu quả kinh tế. Để phát triển một quá trình sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm thành một quy trình công nghiệp lớn, chúng ta không thể chỉ đơn thuần tăng kích thước của bình nuôi cấy (vessel) lên. Ví dụ: Ở quy mô phòng thí nghiệm là 100 mL, một bình tam giác nhỏ nuôi trên một máy lắc là phương thức lý tưởng để nuôi cấy tế bào. Nhưng đối với hoạt động ở quy mô lớn 2.000 L, chúng ta không thể sử dụng một bình nuôi khác có thể tích lớn hơn và lắc nó, mà cần phải thiết kế một hệ lên men (fermenter) hay còn gọi là nồi phản ứng sinh học (bioreactor) hiệu quả để nuôi cấy tế bào trong những điều kiện tối ưu nhất. Vì thế, công nghệ tế bào (một trong những lĩnh vực chính của công nghệ sinh học) có vai trò rất quan trọng trong thương mại hóa các sản phẩm của nó. Để minh họa vai trò của công nghệ tế bào, có thể xem một quá trình sinh học đặc trưng bao gồm các tế bào vi khuẩn như trình bày ở hình 1.1. Các nguyên liệu thô (thường là sinh khối) được xử lý và trộn với các thành phần cần thiết khác để tế bào có thể sinh trưởng tốt trong một hỗn hợp dịch lỏng, môi trường nuôi cấy được khử trùng để loại bỏ tất cả các cơ thể sống và đưa vào bình nuôi cấy hình trụ lớn, thiết bị đặc trưng với cánh khuấy, vách ngăn, hệ thống thông khí và các bộ phận cảm biến để điều chỉnh các điều kiện lên men. Một chủng vi sinh vật thuần khiết được đưa vào trong một bình nuôi cấy. Các tế bào khởi đầu sinh sản theo hàm mũ sau một thời gian nhất định của pha lag và đạt tới nồng độ tế bào cực đại khi môi trường đã bị sử dụng hết. Sự lên men sẽ dừng lại và các thành phần sẽ được hút ra để thu hồi sản phẩm và tinh sạch chúng. Quá trình này được hoạt động theo kiểu lên men mẻ (batch culture) hoặc liên tục (continuous culture). Khi tiến hành một quá trình sinh học (bioprocessing) trên quy mô lớn cần lưu ý: - Phải thu được các chất xúc tác sinh học tốt nhất (vi sinh vật, tế bào động vật, tế bào thực vật, hoặc enzyme) cho một quá trình mong muốn. Công nghệ tế bào 5 - Tạo ra môi trường tốt nhất có thể cho sự xúc tác bằng cách thiết kế các bioreactor/fermenter thích hợp và cho nó hoạt động trong một phương thức tối ưu. - Phân tách các sản phẩm mong muốn từ hỗn hợp phản ứng trong một phương thức kinh tế nhất. Các nhiệm vụ đặt ra bao gồm thiết kế và phát triển một quá trình sinh học. Các vấn đề cơ bản được đòi hỏi cho công việc này như sau: Nuôi cấy stock Nguyên liệu thô Nuôi cấy lắc Chuẩn bị môi trường Hệ lên men kết hạt Khử trùng Hệ lên men sản xuất Không khí Thu hồi Tinh sạch Các sản phẩm Xử lý nước thải Hình 1.1. Một quá trình sinh học đặc trưng. 1. Chúng ta mong đợi thay đổi cái gì Để trả lời câu hỏi này, cần phải có những hiểu biết về các khoa học cơ bản của quá trình công nghệ. Đó là vi sinh vật học, hóa sinh học, di truyền học, sinh học phân tử... Chúng ta cần phải tìm hiểu các vấn đề này trong một phạm vi nhất định. Điều quan trọng ở đây là các chất xúc tác sinh học được chọn lọc hoặc sửa đổi di truyền phải thích hợp cho các hoạt động sản xuất ở quy mô lớn. Công nghệ tế bào 6 2. Quá trình sinh học xảy ra với một tốc độ như thế nào Nếu một quá trình nhất định có thể sản xuất một sản phẩm, thì điều quan trọng cần biết là quá trình đó sẽ xảy ra với tốc độ như thế nào. Động học của quá trình sẽ chi phối các tốc độ phản ứng dưới ảnh hưởng của các điều kiện vật lý và hóa học nhất định. Chúng ta cần nắm vững hóa động học (chemical kinetics) để thiết kế nồi phản ứng (reactor) thích hợp. Các kỹ thuật tương tự được ứng dụng để giải quyết động học enzyme (enzyme kinetics) hoặc động học tế bào (cell kinetics). Để thiết kế một hệ lên men hiệu quả cho các chất xúc tác sinh học hoạt động, điều quan trọng cần biết là tốc độ phản ứng bị ảnh hưởng như thế nào bởi các điều kiện hoạt động không giống nhau. Điều này bao gồm cả nghiên cứu về nhiệt động học (thermodynamics), các hiện tượng vận chuyển, các tương tác sinh học, khả năng ổn định của các dòng tế bào vi sinh vật (hoặc tế bào động vật và thực vật) dùng làm nguyên liệu sản xuất... 3. Hệ thống được hoạt động và điều chỉnh như thế nào để đạt được hiệu suất tối đa Để sự hoạt động và điều chỉnh hệ thống được tối ưu, chúng ta cần phải phát triển các bộ cảm biến trực tuyến (on-line sensor) chính xác. Thuật toán tối ưu trực tuyến cần được xây dựng và tối ưu hóa để tăng cường khả năng hoạt động của các quá trình sinh học và đảm bảo rằng những quá trình này được hoạt động một cách kinh tế nhất. 4. Các sản phẩm được phân tách như thế nào để có được sự tinh sạch cực đại và giá thành tối thiểu Đối với bước này, quá trình bio-downstream (phân tách sinh học), chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật phân tách khác nhau được phát triển trong các quá trình hóa học như chưng cất, hấp thụ, tách chiết, hấp phụ, sấy khô, lọc, kết tủa và ngâm chiết. Hơn nữa, song song với các kỹ thuật phân tách tiêu chuẩn này, chúng ta cần thiết phát triển các kỹ thuật mới thích hợp để phân tách các nguyên liệu sinh học. Nhiều kỹ thuật đã được phát triển để phân tách hoặc phân tích các nguyên liệu sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm, như là sắc ký (chromatography), điện di (electrophoresis) và thẩm tách (dialysis). Các kỹ thuật này cần được nghiên cứu thêm sao cho chúng có thể hoạt động hiệu quả trên quy mô công nghiệp. Công nghệ tế bào 7 III. Quá trình sinh học Các ứng dụng công nghiệp của các quá trình sinh học là sử dụng các tế bào sống hoặc thành phần của chúng để thực hiện những thay đổi vật lý và hóa học. So với các quá trình hóa học truyền thống, các quá trình sinh học có những ưu điểm và nhược điểm như sau: 1. Các ưu điểm - Điều kiện phản ứng nhẹ nhàng. Điều kiện phản ứng cho các quá trình sinh học là nhẹ nhàng-ôn hòa. Đặc trưng là nhiệt độ phòng, áp suất khí quyển và pH môi trường khá trung tính. Kết quả, sự hoạt động ít nguy hiểm và điều kiện sản xuất ít phức tạp hơn so với các quá trình hóa học đặc biệt. - Tính đặc hiệu. Một chất xúc tác enzyme có tính đặc hiệu cao và xúc tác chỉ một hoặc một số ít các phản ứng hóa học. Sự đa dạng của các enzyme hiện có có thể xúc tác cho một phạm vi rất rộng các phản ứng khác nhau. - Tính hiệu lực. Tốc độ của một phản ứng được xúc tác bằng enzyme thường nhanh hơn nhiều so với khi phản ứng này thực hiện nhờ các chất xúc tác không phải sinh học. Chỉ một lượng nhỏ enzyme được yêu cầu cũng đủ để sản xuất một hiệu quả mong muốn. - Các tài nguyên có thể đổi mới. Nguyên liệu thô chủ yếu của các quá trình sinh học là sinh khối (biomass) cung cấp cả bộ khung carbon lẫn năng lượng cần cho sự tổng hợp các hóa chất hữu cơ. - Công nghệ DNA tái tổ hợp. Là những kỹ thuật sửa đổi hệ thống di truyền nhằm nâng cao năng suất sinh học. Sự phát triển của những kỹ thuật này hứa hẹn các khả năng khổng lồ để cải thiện các quá trình sinh học. 2. Các nhược điểm - Các hỗn hợp sản phẩm phức tạp. Trong các trường hợp nuôi cấy tế bào (vi sinh vật, thực vật hoặc động vật). Các phản ứng đa enzyme xảy ra trong một chuỗi tuần tự hoặc song song, hỗn hợp sản phẩm cuối cùng chứa khối lượng tế bào, nhiều sản phẩm trao đổi chất phụ, và một phần còn lại của các chất dinh dưỡng ban đầu. Khối lượng tế bào cũng chứa các thành phần khác nhau của tế bào. - Các môi trường nước loãng. Các thành phần có giá trị thương mại chỉ được sản xuất với một lượng nhỏ trong môi trường nước nên sự phân Công nghệ tế bào 8 tách chúng là rất đắt tiền. Bởi vì các sản phẩm của các quá trình sinh học thường mẫn cảm với nhiệt, do đó các kỹ thuật phân tách truyền thống không thể sử dụng mà phải phát triển các kỹ thuật phân tách mới cho các mục đích sản xuất trên quy mô lớn. - Sự nhiễm bẩn. Hệ thống lên men có thể dễ dàng bị nhiễm bẩn, do nhiều vi khuẩn và nấm mốc có thể sinh trưởng rất mạnh trong hầu hết các môi trường nuôi cấy. Vấn đề trở nên khó khăn hơn khi nuôi cấy tế bào động vật và thực vật bởi vì chúng cần một thời gian sinh trưởng dài ngày và tốc độ sinh trưởng của chúng chậm hơn rất nhiều so với tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn và nấm mốc trong môi trường nhiễm bẩn. - Khuynh hướng hay biến đổi. Các tế bào có khuynh hướng đột biến do sự thay đổi môi trường và có thể mất đi một vài đặc điểm gây thiệt hại cho sự thành công của quá trình sản xuất. Các enzyme tương đối mẫn cảm hoặc là các phân tử không ổn định và đòi hỏi sự cẩn thận trong khi sử dụng chúng. IV. Định nghĩa sự lên men Thông thường, sự lên men (fermentation) được định nghĩa là quá trình sản xuất ethanol hoặc lactic acid từ glucose (C6H12O6). - Quá trình sản xuất ethanol. Là quá trình mà một số nấm men phân giải các loại đường trong môi trường yếm khí để sản xuất rượu ethanol. - Quá trình sản xuất lactic acid. Là quá trình mà một số enzyme như lactodehydrogenase phân giải các chất trung gian như NADH (trong đường phân yếm khí) thành lactic acid chứ không thành ethanol. Lên men lactic được dùng trong công nghệ chế biến sữa để làm phomát và sữa chua. nấm men C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 các enzyme C6H12O6 2CH3CHOHCOOH Tuy nhiên, ngày nay người ta đã mở rộng định nghĩa cho khái niệm này như sau: “Lên men là quá trình sử dụng các enzyme biến đổi những hợp chất hữu cơ” theo Webster’s New College Dictionary (A Merriam-Webster Công nghệ tế bào 9 1977) và đây là định nghĩa mà chúng tôi sử dụng trong giáo trình này dùng để mô tả các quá trình nuôi cấy các tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật trong các hệ lên men hay các nồi phản ứng sinh học. Tài liệu tham khảo/đọc thêm 1. Atkinson B and Mavituna F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. 2nd ed. Stockton Press, New York, USA. 2. Flickinger MC and Drew SW. 1999. Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation. John Wiley & Sons, New York, USA. 3. Lee JM. 2001. Biochemical Engineering. Prentice Hall, Inc. USA. 4. Ratledge C and Kristiansen B. 2002. Basic Biotechnology. Cambridge University Press, UK. 5. Shuler ML and Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering-Basic Concepts. 2nd ed. Prentice Hall, Inc. New Jersey, USA. Công nghệ tế bào 10