Hóa sinh học và công nghệ sinh học

HÓA SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC I.ĐẶT VẤN ĐỀ Trung Quốc đã có những giống lúa lai cho sản lượng tới 15 tấn/ha/vụ , có những giống ếch mỗi năm đẻ trứng 8 lần, mỗi lần có thể sinh ra tới 40-60 nghìn trứng . Đài Loan có thể tạo ra những giống hoa hồng trên 100 cánh hoa/1 hoa và 350 hoa trên 1 gốc. Nhờ đâu mà các nước đạt được thành quả to lớn như vậy? Việt Nam có thể đạt được kết quả như thế không? Và làm gì để đạt được điều đó? Hiện nay khoa học kĩ thuật đang phát triển mạnh mẽ như vũ bão cho phép con người đòi hỏi những nhu cầu cao hơn của cuộc sống. Việt Nam cũng đã hội nhập với quốc tế vì vậy để theo kịp với sự phát triển đó thì chúng ta phải không ngừng phát triển nên kinh tế tri thức,...tạo ra những sản phẩm công nghệ cao sử dụng vào cuộc sống. Việt Nam là đất nước có dân số chủ yếu là nông nghiệp vì vậy nguồn sản phảm thu được từ nông nghiệp chiếm tỉ trọng không nhỏ trong nên kinh tế quốc dân. Phát triển khoa học công nghệ ứng dụng vào sản xuất đã được thực hiện từ nhiều năm, tuy nhiên để theo kịp với tiến trình phát triển của thế giới thì chúng ta cần đẩy mạnh hơn nữa việc phát triển khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp. Lĩnh vực công nghệ cao mà nhà nước đang quan tâm phát triển là công nghệ sinh học. Tuy nhiên đây là một vấn đề mở và rộng lớn nên qua bài tiểu luận này em sẽ cố gắng trình bày về công nghệ sinh học, mối liên quan của nó với các ngành khoa học khác( mà chủ yếu đề cập ở đây phần Enzyme của Hoá Sinh Học) . II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ: 1. Tìm hiểu về CNSH Công nghệ sinh học (Biotechnology) được coi là làn sóng thứ năm trong lịch sử phát triển của khoa học và công nghệ. Công nghệ sinh học (CNSH) có 3 cấp độ khác nhau: CNSH truyền thống như các hoạt động chế biến thực phẩm (rượu, giấm , sữa chua, dưa chua, cà muối, pho-mát, tương, nước mắm, men bánh mì...), ủ phân, phơi ải đất, diệt khuẩn và ức chế vi sinh vật có hại... CNSH cận đại với việc sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm của công nghệ lên men, công nghệ vi sinh vật (cồn, bia, dung môi hữu cơ, bột ngọt GVHD:NGUYỄN THỊ THANH NGA HÓA SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC và các acid amin khác, acid citric và các acid hữu cơ khác, chất kháng sinh, nhiều vitamin, các loạin vaccin, kháng độc tố, các kit chẩn đoán bệnh truyền nhiễm, thuốc trừ sâu sinh học, phân bón sinh học...). CNSH hiện đai chỉ mới xuất hiện trong vài thập kỷ gần đây. CNSH hiện đại sử dụng các kỹ thuật trao đổi, sửa chữa, tổ hợp hoặc cải tạo vật chất di truyền ở mức độ phân tử để tạo ra những loại vi sinh vật mới hoặc bắt các sinh vật này tạo ra các protein hay các sản phẩm khác mà vốn dĩ chúng ta không tạo ra được. CNSH hiện đại bao gồm các lĩnh vực Công nghệ di truyền (Genetic engineering, Công nghệ tế bào (Cell engineering), Công nghệ vi sinh vật/Công nghệ lên men (Microbial engineering/Fermentation engineering), Công nghệ enzym/protein (Enzym/Protein engineering) và CNSH môi trường (Environmental biotechnology) Công nghiệp sinh học đòi hỏi phải tạo các sản phẩm theo quy mô công nghiệp. Quy mô này có khi cần đến những hệ thống nồi lên men dung tích lớn ( Công ty Vedan-Việt Nam đang sử dụng 12 nồi lên men, mỗi nồi có dung tích tới 700 000 lít, các Công ty bia cũng đang sử dụng các nồi lên men rất lớn), nhưng cũng có khi chỉ cần sử dụng những hệ thống lên men trung bình (như sản xuất thuốc kháng sinh, enzym, vaccin...), thậm chí chỉ cần các nồi lên men nhỏ (dung tích 10-75 lít, để sản xuất một số protein có giá trị chữa bệnh hay chẩn đoán bệnh...). 2. Tình hình phát triển công nghệ sinh học trên thế giới Công nghệ sinh học được chính thức coi trọng phát triển ở những nước công nghiệp từ những năm đầu của thập niên 80, các nước có nền công nghiệp mới thì từ những năm 85 và các nước đang phát triển trong khu vực thì chủ yếu từ những năm 90 trở lại đây. Đến nay hầu hết ở các nước Công nghệ sinh học đều được coi là một hướng khoa học công nghệ ưu tiên đầu tư và phát triển. Mức độ phát triển CNSH ở các quốc gia có thể đánh giá bằng tỷ lệ kinh phí đầu tư cho R&D của các doanh nghiệp vào lĩnh vực này. Ở các nước công nghiệp đạt tỷ lệ đó tới 70% (Mỹ, Đức, Nhật); ở các nước công nghiệp hoá mới là 30 % (Hàn Quốc, Singapo); còn ở các nước đang phát triển tỷ lệ đó hầu như không đáng kể. Trong tình trạng kém GVHD:NGUYỄN THỊ THANH NGA HÓA SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC phát triển thì kinh phí đầu tư chủ yếu là do chính phủ cung cấp. Việt Nam thuộc nhóm thứ ba. Theo số liệu của BIO's Guide to Biotechnology (1999) thì giá trị sản lượng của một số sản phẩm CNSH trên thị trường thế giới như sau: - sinh và kháng sinh thế hệ mới: 12 tỷ USD - protein trị liệu (interferon, insulin...), 8 protein đã thương mại hoá: 1 tỷ USD; -sản phẩm lên men (các axit amin, axit hữu cơ, polysacharit..): 7 tỷ USD -loại thuốc sâu sinh học: 8 tỷ USD; - chế biến nông sản: 150 tỷ USD; - giống cây trồng (kể cả in vitro): 120 tỷ USD; - phục vụ chăn nuôi: Tổng hợp các chất bảo vệ động vật, nuôi cấy phôi...: 100 tỷ USD. (Ngoài ra có thể liệt kê thêm: (i) CNSH chế biến thực phẩm: Các enzym (amylase, rennin, beta-galactosidase, invertase, gluco isomerase, pectinase); Các chất phụ gia thực phẩm (các chất tạo ngọt, hương, vị, tạo màu, bột nở và làm ổn định, các vitamin, các axit amin, các chất chống oxy hoá, các chất bảo quản, các chất hoạt hoá bề mặt...); (ii) Các thức ăn bổ sung cho chăn nuôi (kháng sinh mới...); (iii) Các giống thực vật mới và được cải thiện; Thực vật chuyển gen; (iv) Động vật chuyển gen; (vi) Các thuốc trừ sâu, diệt cỏ với tính đặc hiệu tăng lên (các sản phẩm Bt, Verticillium, các baculovirut, tuyến trùng ký sinh...); (vii) Các vắcxin (chống lại bệnh ỉa chảy, bệnh lở mồm long móng... ở gia súc gia cầm : (viii) Các chất hóc môn sinh trưởng thực vật (các cytokinin...); (ix) Phân bón, cố định nitơ vi sinh vật và cộng sinh; (x) Các hoá chất chẩn đoán bệnh thực vật và động vật; (xi) Các thuốc bảo vệ thực vật và thuốc thú y thế hệ mới Một Viện nghiên cứu CNSH ở Quảng Châu mà có thể sản xuất tới 70 sản phẩm khác nhau. Họ không cần nhận quỹ lương từ nhà nước mà lại có thể trả lương cao cho cán bộ, nhân viên. Nhật Bản có nền CNSH hiện đại và tạo ra rất nhiều sản phẩm có giá trị xuất khẩu cao. Tập đoàn nghiên cứu KAO của một tập đoàn tư nhân mà to như một...thị trấn (!). Chỉ cần sản xuất được men cellulase và đưa vào bột giặt (làm bung lớp mỏng bên GVHD:NGUYỄN THỊ THANH NGA HÓA SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC ngoài mỗi sợi vải để giải phóng các chất bẩn) đã đủ làm cho bột giặt KAO nổi tiếng thế giới. Mặc dầu đã có một nền CNSH rất phát triển vậy mà để tạo sức bật cho tương lai Nhà nước và các Công ty tư nhân, Nhật Bản đã xây dựng cả một khu nghiên cứu CNSH hiện đại tại một thị trấn hoàn toàn mới ở gần Chiba. Viện nghiên cứu NITE của trung tâm này có một kho lưu giữ nguồn gen vi sinh vật lớn đến vài chục vạn chủng. ATCC (Bảo tàng giống chuẩn vi sinh vật Mỹ) cũng có các Phòng thí nghiệm hiện đại rộng tới 9000m2 trên một không gian gần 32000m2 và với một đội ngũ các nhà khoa học rất lành nghề. Vậy mà ATCC lại là một tổ chức phi lợi nhuận tư nhân (nonprofit privately-held company). Tiền bán giống và các chế phẩm sinh học được dùng để trang trải cho mọi chi phí và cho sự phát triển nhanh chóng của ATCC.. Hiện tại ATCC đang bảo quản trong điều kiện siêu lạnh (trong nitơ lỏng) và trong đông khô vài vạn chủng vi sinh vật , ngoài ra còn có 75 dòng tế bào và 400 loại hạt giống đã đăng ký sáng chế. Các nhà khoa học tại ATCC đang lưu giữ các nguồn gen quý giá không chỉ cho nước Mỹ mà cho toàn nhân loại, vì bất kỳ ai muốn đăng ký mua chủng nào, hạt giống nào cũng được (qua E-mail: news @ atcc.org). 3. CNSH phục vụ nông- lâm – ngư nghiệp Lĩnh vực nông nghiệp tuy không phải là mục tiêu hàng đầu của quá trình phát triển công nghệ sinh học của nhiều nước công nghiệp trên thế giới, nhưng trên thực tế những hoạt động nghiên cứu và phát triển, sản xuất và thương mại hoá càng được nhiều doanh nghiệp quan tâm. Cụ thể nêu 3 lĩnh vực chính là: 1. Giống cây trồng và vật nuôi nhân vô tính và chuyển gen mang những đặc điểm nông sinh quí giá mà các phương pháp truyền thống không tạo ra được, đồng thời lại được bảo vệ thông qua bản quyền tác giả. 2. Các chế phẩm sinh học dùng trong bảo vệ cây trồng vật nuôi, dạng vacxin, thuốc trừ sâu bệnh và phân bón vi sinh vật. 3. Công nghệ bảo quản và chế biến nông sản, hải sản bằng các chế phẩm vi sinh vật và enzym. Giá trị nông sản được nâng lên nhiều lần và quy trình công nghệ đi km trang thiết bị là hàng hoá trong kinh doanh chuyển giao công nghệ. GVHD:NGUYỄN THỊ THANH NGA HÓA SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC (Ngoài ra có thể liệt kê thêm: (i) CNSH chế biến thực phẩm: Các enzym (amylase, rennin, beta-galactosidase, invertase, gluco isomerase, pectinase); Các chất phụ gia thực phẩm (các chất tạo ngọt, hương, vị, tạo màu, bột nở và làm ổn định, các vitamin, các axit amin, các chất chống oxy hoá, các chất bảo quản, các chất hoạt hoá bề mặt...); (ii) Các thức ăn bổ sung cho chăn nuôi (kháng sinh mới...); (iii) Các giống thực vật mới và được cải thiện; Thực vật chuyển gen; (iv) Động vật chuyển gen; (vi) Các thuốc trừ sâu, diệt cỏ với tính đặc hiệu tăng lên (các sản phẩm Bt, Verticillium, các baculovirut, tuyến trùng ký sinh...); (vii) Các vắcxin (chống lại bệnh ỉa chảy, bệnh lở mồm long móng... ở gia súc gia cầm : (viii) Các chất hóc môn sinh trưởng thực vật (các cytokinin...); (ix) Phân bón, cố định nitơ vi sinh vật và cộng sinh; (x) Các hoá chất chẩn đoán bệnh thực vật và động vật; (xi) Các thuốc bảo vệ thực vật và thuốc thú y thế hệ mới). III.HÓA SINH HỌC: 1. Tìm hiểu về Hoá Sinh Học Hoá sinh học là được hình thành bắt nguồn từ sự phát triển mạnh mẽ của các môn hoá học và sinh học nửa cuối thế kỉ XIX- đầu XX.Sự hình thành đó bắt nguồn từ môn hoá hữu cơ và sinh lý, dựa vào sự phát triển của các nghành hoa học khác như: Hoá phân tích, vật lý... Năm 1897 Eduard Buchner lần đầu tiên chiết được Enzyme thô từ tế bào nấm men có khả năng thuỷ phân đường. Trước đó không lâu Friedrich Miescher phát hiện ra ADN. Mac.Munn tìm ra được Cytocrom tham gia hệ thống vận chuyển điện tử ở sinh vật. Năm 1926 Enzyme có bản chất Protein được phát hiện và urease được kết tinh lần đầu tiên.... Năm 1961 có nhiều phát minh về sinh hoá nhất: Nirenberg, Matthai tìm ra polyurilyl mã hoá phenylalanin, Jacob, Monod và Changeux tìm ra Enzyme dị lập thể, sự điều hoà Gen tổng hợp. Cùng thời gian đó nhiều quá trình tổng hợp Purin, acid amin, glucid, lipid được sáng tỏ. Năm 1965 Nirenberg Holley nghiên cứu được chức phận riêng biệt mã hoá của acid amin trong quá trình tổng hợp. GVHD:NGUYỄN THỊ THANH NGA HÓA SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Trong lĩnh vực di truyền học, người ta đã đề cập đến những mã di truyền do base Purin và Pyrimidin trong cấu trúc ADN. Gần đây PGS. TS Đào Kim Chi, Bộ môn Hoá Sinh(Đại học Dược Hà Nội) Chủ nhiệm đề tài KC.10.DA13 - nghiên cứu thuốc tiêm Aslem cho bệnh nhân ung thư và đã thu được những hiệu quả tốt của thuốc trên Lâm sàng... 2.Enzyme đóng vai trò quan trọng trong hoá sinh học Năm 1814 Kiecgop(Nga) phát hiện ra dịch chiết lúa đại mạch nảy mầm thuỷ phân được tinh bột, đến năm 1833 Paien và Pecxo tủa được Amylase rồi sau đó Bucne đã đặt cơ sở cho nghiên cứu enzyme. Đầu thế kỉ XX Enzyme được nghiên cứu mạnh mẽ. Đến nay đã phát hiện được hơn 2000 Enzyme khác nhau trong đó có hàng trăm enzyme được tinh chế dưới dạng kết tinh. Tuy vậy nhiều thành tựu đáng được chú ý trong nghiên cứu như điều hòa ở mức đọ gen và cơ chế tự điều hoà gen. Enzyme là chất xúc tác sinh học có bản chất Protein. 3.Mối liên quan của enzyme tới sự phát triển của công nghệ sinh học Về công nghệ enzym/protein người ta đã sử dụng thành công kỹ thuật enzym bất động (immobilized ezyme) hoặc tế bào bất động (immobilized cell) để sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm được tạo thành nhờ hoạt động xúc tác của enzym. Nhờ sử dụng công nghệ gen người tacó thể tạo ra khả năng sản sinh một enzym mới nhờ vi khuẩn hoặc nấm men hoặc là nâng cao thêm lên nhiều lần hoạt tính sản sinh enzym của chúng. Sản phẩm CNSH có giá trị thực tiễn rất lớn và vì vậy đã đem lại những nguồn doanh thu khổng lồ cho các Công ty CNSH ở nhiều nước. Sau khi sản xuất thành công insulin vào năm 1982 đến nay cơ quan FDA của Hoa Kỳ đã cho phép sản xuất mới trên 50 loại dược phẩm tái tổ hợp gen. Hiện nay ở Hoa Kỳ đã có trên 1300 Công ty CNSH, Châu Âu có 700 Công ty CNSH. Năm 1996 doanh thu chỉ riêng về các dược phẩm tái tổ hợp gen ở Hoa Kỳ đã đạt tới 8 tỷ USD, mõi năm bình quân tăng 13% và dự kiến doanh thu vào năm 2006 là 25 tỷ USD . Nhật Bản vào thời điểm 1996 doanh thu về các dược phẩm tái tổ hợp gen đã đạt đến 489,1 tỷ Yen, chiếm 25% tổng doanh thu về các sản phẩm CNSH. Tại GVHD:NGUYỄN THỊ THANH NGA HÓA SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Hoa Kỳ năm 2000 doanh thu chỉ riêng các sản phẩm CNSH nông nghiệp đã đạt đến 11- 15 tỷ USD Tinh sạch và cải biến theo hướng có lợi các enzyme có tính thương mại cao. Sàng lọc các protein đích có giá trị sinh dược. Thiết kế và phát triển các peptide có hoạt tính sinh học. Nhờ Enzyme tác động vào các đoạn ADN, hoặc ARN , nó phân cắt các đoạn của các phân tử này, sau đó nhờ kĩ thuật PCR(Polymerase Chain Reaction), người ta biết được cấu tạo của 1 phân tử ADN hoặc ARN từ đó sẽ hiểu được bộ gen của 1 loài nào đó. Sau khi lập được bản đồ gen của 1 cá thể nào đó các nhà khoa học có thể tác động vào 1 quá trình nào đó, một vị trí nào đó trên gen để biến đổi thành một gen mới có lợi, đáp ứng nhu cầu quan tâm. Nhờ công nghệ tái tổ hợp gen người ta đã tạo ra được nhiều giống mới....như: Phát triển các công nghệ tế bào thực vật phục vụ cho công tác bảo tồn và nhân nhanh các giống cây trồng và nguồn gen thực vật quý. Cải thiện các tính trạng của cây trồng bằng phương pháp chọn dòng tế bào và chuyển gen nhằm tạo giống có chất lượng cao và có khả năng chống chịu tốt hơn. 4. Thành tựu thu được trong phát hiện bộ gen của cây lúa và triển vọng Đối với người Việt chúng ta, hay phần lớn dân Á châu nói chung, cây lúa (tên khoa học là Oryza sativa) và hạt gạo là một loại thực phẩm hết sức gần gũi và đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong dinh dưỡng. Ngay từ khi còn trong lòng mẹ, chúng ta đã làm quen với cơm gạo, và lớn lên theo cây lúa cùng hạt gạo. Với bản sắc văn hóa nông nghiệp, cây lúa và hạt gạo còn là một biểu tượng của cuộc sống. Ca dao, khẩu ngữ chúng ta có câu “Người sống về gạo, cá bạo về nước”, hay “Em xinh là xinh như cây lúa”, v.v.. Đối với người Trung Quốc, vật quí nhất không phải là ngọc trai hay đá quí, mà là hạt gạo. Quê hương của cây lúa, không như nhiều người tưởng là ở Trung Quốc hay Ấn Độ, mà là ở vùng Đông Nam Á, vì vùng này khí hậu ẩm và là điều kiện lí tưởng cho phát triển nghề trồng lúa. Theo kết quả khảo cổ học trong vài thập niên qua, quê hương đầu tiên của cây lúa là vùng Đông Nam Á và Đông Dương, những nơi mà dấu ấn của cây lúa đã được ghi GVHD:NGUYỄN THỊ THANH NGA HÓA SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC nhận là khoảng 10.000 năm trước Công Nguyên Còn ở Trung Quốc, bằng chứng về cây lúa lâu đời nhất chỉ 5.900 đến 7.000 năm về trước, thường thấy ở các vùng xung quanh sông Dương Tử Từ Đông Nam Á, nghề trồng lúa được du nhập vào Trung Quốc, rồi lan sang Nhật Bản, Hàn Quốc, những nơi mà cư dân chỉ quen với nghề trồng lúa mạch. Ở Trung Quốc và Nhật Bản ngày xưa, chỉ có giai cấp quí tộc hay võ sĩ mới có gạo ăn thường xuyên. Ở Hàn Quốc, người ta có danh từ “annam mi” để chỉ loại gạo nhập cảng từ Việt Nam và các nước Đông Nam Á. IV:KẾT LUẬN: Công nghệ sinh học đã, sẽ và đang phát triển như vũ bảo vì vậy nhà nước cần có chính sách đào tạo phù hợp, đào tạo trình độ đại học và sau đại học các chuyên ngành về công nghệ sinh học và Hoá sinh học Đẩy mạnh quá trình đưa thành tựu công nghệ sinh học vào thực tiển cuộc sống. CNSH cũng là nguy cơ để những thế lực đen tối sử dụng để sản xuất vũ khí sinh học có tác dụng huỷ diệt cao vì vậy các quốc gia cần phải nghiên cứu có sự quản lí chặt chẽ của nhà nước. Việt Nam cần phải tiếp thu nhiều sản phẩm công nghệ vào cuộc sống Đây là một đề tài lớn và thú vị tuy nhiên do trình độ có hạn và giới hạn thời gian hoàn thành nên bài tiểu luận này chỉ là những thông tin tương đối mở, và không thể đi sâu vào những khía cạnh chuyên môn. Thông tin để hoàn thành bài tiểu luận này được lược trích và bổ xung từ các nguồn tài liệu phong phú trên mạng internet, nên những thông tin trên nếu đựơc sử dụng thì cần phải có kiểm định chặt chẽ. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô, bạn bè để em hoàn thành tốt bài tiểu luận này GVHD:NGUYỄN THỊ THANH NGA HÓA SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Tài liệu tham khảo: viện công nghệ sinh học) GVHD:NGUYỄN THỊ THANH NGA