Công nghệ enzim

CÔNG NGHỆ ENZIM
1. CHIP SINH HỌC
2. CẢM BIẾN SINH HỌC

NHÓM 1 – TỔ 1
1. CHIP SINH HỌC
1.1. Khái niệm: Chip sinh học là một miếng vuông nhỏ bằng thủy tinh hay bằng nhựa nhân tạo. Trên đó được chia thành nhiều ô cực nhỏ giống như một bàn cờ và mỗi một ô của chip sinh học chứa một đoạn DNA (desoxyribonucleic acid) đã biết.

- Kỹ thuật chế tạo chip sinh học tương tự như kỹ thuật chế tạo chip điện tử, nó đòi hỏi các dụng cụ chế tạo rất tinh vi và chính xác. Ðể đưa một đoạn DNA vào các khuôn nhỏ người ta dùng phương pháp quang học "fotolitho" hoặc cơ học với kỹ thuật phun.
- Trung bình mỗi ô chip sinh học chứa khoảng 10 triệu phân tử nucleotit.
- Ðầu năm 2000 người ta chế tạo được một chip sinh học với 64.000 nucleotit khác nhau, trên một diện tích 1,28cm x 1,28 cm.
1.2. Nguyên tắc hoạt động
- Trước khi đưa lên chip sinh học các phân tử cDNA ( bản sao của mRNA ) của mẫu sẽ được đánh dấu bằng một loại ánh sáng màu (fluorescent) để dễ nhận diện.
- Theo nguyên tắc sinh học "chìa khóa và ổ khóa" các mảng DNA phù hợp sẽ được DNA của chip giữ lại. Với một loại đèn phát quang đặc biệt người ta có thể phân biệt chúng một cách dễ dàng.

1.3. Ứng dụng
- Chip sinh học tìm vi trùng gây hại.
Chip sinh học không chỉ dùng để xác định sự hoạt động của gen mà người ta còn áp dụng để khám phá các loại vi trùng gây bệnh, xuất hiện trong thức ăn, nước uống và trong cơ thể con người.
Ưu điểm:
+ Cho kết quả nhanh: chỉ cần vài tiếng đồng hồ có thể xác định loại vi trùng gây bệnh và đề ra những phương pháp điều trị thích hợp.
+ Con người có thể phản ứng kịp thời.
+ Ngăn chặn kịp thời khả năng phát triển bệnh của các loại vi trùng gây bệnh.

- Chip sinh học tìm thuốc trị bệnh 
+ Một ứng dụng quan trọng của chip sinh học là sử dụng trong việc tìm kiếm các loại thuốc hay các phương pháp chữa trị, thích hợp cho từng bệnh nhân.
+ Với một chip sinh học được phát triển mới đây người ta có thể phân biệt được hai nhóm gen, một loại gây bệnh chiếm khoảng 40% và có thể dùng "phương pháp hóa học" để trị và 60% còn lại không phản ứng bằng biện pháp này 
- Chip sinh học chẩn đoán ung thư vú 
+ Cứ mỗi 10 phụ nữ tại Ðức có một người bị bệnh ung thư vú. Hằng năm tại Ðức có thêm khoảng 45.000 phụ nữ bị bệnh. 
+ Ðể chẩn đoán và phân loại bệnh trạng của từng bệnh nhân công ty Eppendorf ở Hamburg (Ðức) sản xuất một loại Chip sinh học DualChipTM với 160 Gene để phân biệt các bệnh ung thư và qua đó người ta hy vọng có thể tìm được các gen gây các bênh ung thư khó trị.
2. Cảm biến sinh học
2.1. Khái niệm:
Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi.

2.2. Cấu tạo của cảm biến sinh học:
Gồm bốn bộ phận chính:
+ Đầu thu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích.
+Tác nhân cố định: giúp gắn các đầu thu lên trên điện cực.
+ Bộ phận chuyển đổi tín hiệu: giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc được.
+ Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra: có tác dụng chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý.
2.3. Nguyên tắc hoạt động

1)Đầu thu sinh học (Biological Receptor)
- Là những đầu thu phản ứng trực tiếp với các tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học.
- Dựa vào các tác nhân sinh học sử dụng người ta chia ra thành một số loại đầu thu như sau:

+ Đầu thu làm từ enzyme: enzyme urease, glucose

+ Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên: tính chọn lọc rất cao.

+ Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ các protein như cảm biến phát hiện hocmôn, xác định các chất kích thích thần kinh, ... Các đầu thu này có đặc điểm là có tính chọn lọc rất cao. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là rất khó cách ly.



+ Đầu thu làm từ các axit nucleic: được sử dụng để phát hiện đột biến và các sai lệch trong cấu trúc di truyền.
+ Đầu thu kết hợp: sử dụng đồng thời hai hay nhiều phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein ...) trên một đế. Một số cảm biến dạng này là cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi khuẩn bệnh than và cảm biến thử thai.

+ Đầu thu làm từ tế bào: Một số tế bào biến đổi gen của vi khuẩn . Khi có mặt các phân tử chất độc, các tế bào này sẽ phát sáng, thông qua đó chúng ta xác định được sự xuất hiện của các phân tử chất độc.

2) Tác nhân cố định
- Có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đế. Nói một cách khác đây là bộ phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có nguồn gốc từ cơ thể sống) với thành phần vô cơ. 


3) Bộ phận chuyển đổi 

Đây là bộ phận quan trọng trong cảm biến sinh học. Có nhiều dạng chuyển đổi như:

+ Chuyển đổi điện hoá,
+ Chuyển đổi quang,
+ Chuyển đổi nhiệt,
+ Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc
+ Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ.



2.4. Ứng dụng của cảm biến sinh học:
1) Trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ:
+ Đây là lĩnh vực có nhiều cải tiến cũng như nhiều ứng dụng nhất.
+ Cảm biến thường sử dụng: cảm biến đo nồng độ oxi, lượng glucose trong máu, cảm biến huyết áp...
+ Ưu điểm:
- Giúp người bệnh có thể thường xuyên theo dõi tình hình bệnh tật của mình mà không nhất thiết phải đến các trung tâm y tế.
- Giảm thời gian hồi đáp mà còn được chế tạo theo hướng càng ngày càng nhỏ gọn, rẻ và dễ sử dụng.

NASA chế tạo cảm biến sinh học dò tìm vi khuẩn 
Cơ quan Không gian và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) vừa chế tạo thành công một loại cảm biến sinh học dựa trên công nghệ nano hiện đại có khả năng phát hiện vi khuẩn, vi-rút và ký sinh trùng.  
Cảm biến sinh học giúp phát hiện sớm ung thư 
Các nhà khoa học đang phát triển một cảm biến sinh học bé xíu có thể phát hiện các protein ung thư và các siêu vi trùng tiềm ẩn. Cảm biến sinh học này được chế tạo bằng cách dùng kỹ thuật tương tự con quay hồi chuyển như hệ thống định vị và các túi khí.


2) Ứng dụng trong công nghệ môi trường:
Đó là các cảm biến dạng “mũi điện tử” xác định một hoá chất độc hại nào đó hoặc xác định độ ô nhiễm của môi trường như cảm biến xác định nồng độ khí độc (CO2, H2S), xác định dư lượng thuốc trừ sâu, xác định nồng độ của các kim loại nặng, ...


3) Ứng dụng trong các tương tác Người – Máy:
- 1 số cảm biến dạng này như: cảm biến nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, nhận dạng các đặc trưng sinh học của con người. Đây cũng là lĩnh vực hứa hẹn có nhiều nghiên cứu, ứng dụng mới. 


4) Ứng dụng trong việc điều khiển, quản lý các quá trình trong công nghệ sinh học:
Cảm biến sinh học theo dõi, quản lý, điều khiển các quá trình sinh học như điều chỉnh lượng glucose trong quá trình nuôi vi khuẩn..v.v.... Các cảm biến sinh học đã tỏ ra có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như: tính chọn lọc cao, đáp ứng nhanh, đơn giản và chính xác.
5) Microchip cảm biến sinh học mới thúc đẩy phát triển thuốc điều trị.
Các nhà nghiên cứu ở Standford đã phát triển một microchip cảm biến sinh học mới có thể thúc đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc điều trị. Các microchip này được gói trong các “cảm biến nano – nanosensor” độ nhạy cao.