Công nghệ sinh học

Nhập môn Công nghệ sinh học
Trường Bách khoa (Kỹ thuật)‏
Kỹ sư CNSH
Định nghĩa
Định nghĩa chung: Công nghệ sinh học là quá trình sản xuất các sản phẩm trên quy mô công nghiệp, trong đó nhân tố tham gia trực tiếp và quyết định là các tế bào sống (vi sinh vật, thực vật, động vật). Mỗi tế bào sống của cơ thể sinh vật hoạt động trong lĩnh vực này được xem như một lò phản ứng nhỏ.
UNESCO (1985): Công nghệ sinh học là công nghệ sử dụng một bộ phận hay tế bào riêng rẽ của cơ thể sinh vật vào việc khai thác các sản phẩm của chúng.
Trường Luật Stanford (1995): Công nghệ sinh học là công nghệ chuyển một hay nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản phẩm và chức năng của gen đó.
CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRUYỀN THỐNG

Thực phẩm lên men truyền thống
Công nghệ lên men vi sinh vật
Sản xuất phân bón và thuốc trừ sâu vi sinh vật
Sản xuất sinh khối giàu protein
Nhân giống vô tính bằng nuôi cấy mô và tế bào thực vật
Thụ tinh nhân tạo
CÔNG NGHỆ SINH HỌC HIỆN ĐẠI

Nghiên cứu genome
Nghiên cứu proteome
Thực vật chuyển gen
Sản xuất các hợp chất tự nhiên và tái tổ hợp từ nuôi cấy tế bào thực vật
DNA vaccine
Nhân bản động vật
Nuôi cấy tế bào gốc
Sản xuất và ứng dụng DNA chip
Tin sinh học
Công nghệ sinh học nano
Vật liệu sinh học
http://en.wikipedia.org/wiki
http://www.answers.com
http://www.protocol-online.org/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov
I. Nghiên cứu genome
DNA sequencing
Nghiên cứu cấu trúc và chức năng của toàn bộ gen sinh vật.
Phương pháp điện di mao dẫn: 1000 bp/phản ứng x 96 phản ứng.
Xác định trình tự genome người (Homo sapiens): 20.000-25.000 gen.
Xác định trình tự genome cây lúa nước (Oryza sativa): 45.000 gen.
Xác định trình tự genome của nhiều loài sinh vật khác: E. coli, S. cerevisiae, C. elegans (19.500 gen), Drosophila melanogaster (13.600 gen), A. thaliana (27.000 gen), Z. mays (50.000 gen), Rattus norvegicus (25.000 gen)...
Trình tự nucleotide của một đoạn DNA
Phổ điện di trình tự nucleotide
Capillary sequencer
II. Nghiên cứu proteome
Protein sequencing
Nghiên cứu hệ protein do các gen mã hóa và điều khiển trong từng giai đoạn phát triển và trong từng trạng thái sinh lý và bệnh lý của sinh vật.
Cung cấp thông tin cho việc chẩn đoán sớm, phòng trừ và điều trị nhiều loại bệnh.
Giải mã chức năng sinh học của hệ gen.
Phương pháp sắc ký đa chiều và khối phổ.
Thực vật chuyển gen thế hệ thứ nhất
Gen kháng sâu nhóm cry/VIP
Gen kháng chất diệt cỏ nhóm bar
Gen kháng virus nhóm CP/Nbi
Trong đó, diện tích gieo trồng của cây bông vải kháng sâu, cây đậu tương và cây ngô kháng sâu và chất diệt cỏ chiếm tới 90%.
Thực vật chuyển gen thế hệ thứ hai

Lúa vàng có hàm lượng β-caroten cao
Khoai tây có hàm lượng protein cao
Cà chua chín muộn
Cải dầu có hàm lượng laurate và oleic acid cao
Thực vật chuyển gen thế hệ thứ ba
Thực phẩm
Dược phẩm
Nhiên liệu
Nguyên liệu thô cho các quá trình công nghiệp
Một số cây trồng chuyển gen
IV. Sản xuất các hợp chất tự nhiên và tái tổ hợp từ nuôi cấy tế bào thực vật

A. Các hợp chất tự nhiên dùng trong thực phẩm
Các chất màu
Betalaine (Phytolacca americana), crocin và crocetins (Crocus sativus), capsaicin và capsaicinoid (Capsicum frutescens)...
Các chất mùi
Vanilla (Vanilla planifolia), garlic (Allium sativum), onion (A. cepa)...
Các chất ngọt
Stevioside (Stevia rebaudiana), thaumatin (Thaumatococcus danielli)...
B. Các hợp chất tự nhiên dùng trong dược phẩm
Các alkaloid
Caffein (Coffea arabica), berberin (Coptis japonica), reserpine (Rauwolfia serpentina), scopolamine (Hyoscyanus aegypticus), viblastine và vincristine (Catharanthus roseus)…
Các steroid
Diosgenin (Dioscorea deltoidea), digoxin và digitoxin (Digitalis lanata)…
Các chất khác
Shikonin (Lithospermum erythrorhizon), glycyrrhizin (Glycyrrhiza glabra), saponin (Panax pseudoginseng), ginsengoside (Panax ginseng), taxol (Taxus spp.)…
C. Các protein tái tổ hợp
Hormone sinh trưởng người (N. tabacum)‏
Albumin huyết thanh người (N. tabacum và S. tuberosum)‏
Nhân tố sinh trưởng biểu mô ở người (N. tabacum)‏
α-interferon người (O. sativa)‏
Hirudin (chống đông máu) (N. tabacum)‏
Erythorpoetin (N. tabacum)‏
α and β haemoglobin người (N. tabacum)‏
Interleukin-2 và Interleukin-4 (N. tabacum), Interleukin (O. sativa)‏
α1-antitrypsin người (O. sativa)‏
mGM-CSF (N. tabacum), hGM-CSF (N. tabacum và O. sativa)‏
Kháng thể đơn dòng IgG1 của chuột (N. tabacum)‏
Bioreactor 15.000 L
V. DNA vaccine

A. Vaccine DNA tái tổ hợp
Là vaccine nucleic acid, gen mã hóa cho protein kháng nguyên đặc hiệu được tiêm vào vật chủ (tế bào động vật hoặc vi sinh vật) để sản xuất các kháng nguyên này và khởi sự một phản ứng miễn dịch.
Có tính an toàn cao, nhất là tránh được độc tính của virus.
Một số vaccine DNA tái tổ hợp đã được ứng dụng rộng rãi như: viêm gan B, viêm não Nhật Bản, dịch tả, sởi, bại liệt, dại, sốt rét, lỡ mồm long móng...
Liệu pháp vaccine
B. Vaccine thực phẩm
Giá thành rẻ
Ổn định
Dễ dàng sản xuất trên quy mô lớn
Dễ quản lý
Không cần tinh sạch
Bảo quản lâu
Dễ vận chuyển
Mô hình sản xuất vaccine thực phẩm
Ứng dụng của vaccine thực phẩm kháng bệnh IBDV trên gà
VI. Nhân bản động vật

Hàng chục loài động vật đã được nhân bản vô tính: cừu, bò, lợn, chó, mèo, thỏ và đặc biệt là chuột chuyển gen.

Kỹ thuật nhân dòng mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn, nhưng xét theo tiềm ẩn mối hiểm họa làm giảm sự đa dạng kiểu gen của sinh vật.
VII. Nuôi cấy tế bào gốc

Liệu pháp tế bào là một công cụ chữa bệnh hiệu quả.

Tế bào gốc (loại nguyên phát từ phôi non có 8 tế bào và loại thứ phát ở nhau thai) được dùng thành công trong tạo ra giác mạc mắt để ghép giác mạc, tạo ra tế bào cơ tim dùng để điều trị vết thương tim, thay tế bào tủy xương trong điều trị ung thư máu…

Trong tương lai có thể phục hồi các mạch thần kinh bị hư hại trong điều trị bại liệt hoặc bệnh Alzheimer, sản xuất các cơ quan như gan, thận… phục vụ việc cấy ghép thay thế cơ quan.
Phôi 2 tế bào
Phôi 4 tế bào
Phôi 8 tế bào
Tế bào mầm phôi của người (totipotency)‏
VIII. DNA chip
DNA chip là mảnh màng liên kết cao (20 x 40 mm) được in các đoạn DNA trên đó (ví dụ chip của genome người được in 20.000-25.000 gen) ở dạng những chấm vuông cực nhỏ.

Khi lai DNA chip này với sản phẩm phiên mã của genome cần nghiên cứu thì các chấm DNA sẽ đổi màu tương ứng với mức độ hoạt động của những gen đó.

DNA chip được ứng dụng làm công cụ chẩn đoán trong công nghiệp lên men vi sinh, y học dự phòng, kiểm dịch động-thực vật và vệ sinh an toàn thực phẩm, mức độ ô nhiễm môi trường…
Bioinformatics Cluster là một supercomputer của Trung tâm Tin sinh học.
Một Cluster có tổng cộng 324 processors (2 GHz Opteron CPUs). Chạy trên hệ điều hành 64 bit Centos Linux.
Có 54 nodes trên 2 Opteron-270 CPUs lõi đôi, 4 GB RAM, 2 hard drives dự phòng 120 GB cho mỗi node.
Có 54 nodes trên 2 Opteron-246 CPUs lõi đơn, 2 GB RAM, 2 hard drives dự phòng 80 GB cho mỗi nốt. Hệ thống này có thể mở rộng lên 160 CPUs. Một không gian dự trữ (back-up) 9 TB RAID5.
Các node được kết nối bởi 1 GB Ethernet netwwork (LAN).
IX. Tin sinh học
Ứng dụng máy tính điện tử và kỹ thuật thống kê để quản lý và xử lý các thông tin sinh học.

Xây dựng các phương pháp tìm kiếm và khai thác nhanh ngân hàng dữ liệu (database bank), phân tích trình tự và cấu trúc của DNA và protein.

Cải tiến phương pháp xử lý phân tích số liệu, cải thiện khả năng dự đoán vùng hoạt động, vùng ngưng nghỉ của genome, cải tiến khả năng phỏng đoán phản ứng của tế bào đối với tác nhân ngoại sinh, thiết lập nên các cấu trúc phân tử protein có hoạt lực cao và định hướng phân hóa tế bào một cách hiệu quả.
3 ngân hàng dữ liệu gen lớn nhất thế giới: World Gene Bank (Hoa Kỳ), EMBL (Châu Âu) và DDJB (Nhật Bản) đang lưu giữ trên 9 tỷ dữ liệu về gen. Ngân hàng dữ liệu protein của Thụy Sĩ (Swiss Protein Database) lưu giữ thông tin về trình tự các amino acid, các tính chất và chức năng sinh học và mô hình cấu trúc phân tử của các loại protein.

Một số thành tựu nổi bật:
Chương trình NMR đa chiều thiết lập cấu trúc không gian của protein.
Chương trình FASTA so sánh trình tự gen và protein.
Chương trình BLAST tìm kiếm và so sánh mức độ tương đồng của các gen trong các ngân hàng gen.
DNA chip bộ gen người.
Các phần mềm phân tích gen như: DNASIS, NTSYS-pc…
Công nghệ sinh học nano có những đóng góp sau:
Phương thức mới cho phép thu nhận những thông tin về hệ thống sinh học ở mức chấm lượng tử, đầu dò từ kích thước nano tới kích thước một phân tử riêng rẽ để dùng trong chẩn đoán bệnh.
Phương pháp in-situ mới để cung cấp thông tin tốt hơn về chức năng tế bào.
Công nghệ thao tác cải biến 2 chiều và 3 chiều đối với mô và tế bào.
Vận chuyển và phân phối thuốc hoặc gen vào mô và tế bào thông qua khống chế kích thước hạt, hoạt hóa và giải phóng hoạt chất thuốc thông qua cơ chế và thiết bị như bơm kích thước nano, van tế bào và cơ quan nhân tạo.
Công nghệ nano sinh học hiện nay tập trung theo các hướng:
Sử dụng phân tử DNA dạng chip làm phương tiện lưu giữ thông tin.
Tạo khung đỡ 2-3 chiều hỗ trợ sinh trưởng và liền sẹo của mô và tế bào cấy ghép.
Cung cấp thuốc đến tận điểm mô và tế bào trong điều trị ung thư.
Công cụ nano khử chất độc ô nhiễm công nghiệp trong đất.
Vật liệu composit nano nối xương.
Dây dẫn bằng protein hay DNA trong động cơ nano.
Công tắc DNA điều khiển mạch nano.
Bản nano trong nghiên cứu hậu giải mã bộ gen.
Xưởng nano chế tạo phân tử protein.
Hạt nano vừa dùng làm đầu dò vừa xử lý ô nhiễm nguồn nước, theo dõi và báo động về vũ khí hóa học và sinh học một cách lý tưởng và hiệu quả.
Công nghệ gen
Công nghệ sinh học nông nghiệp
Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm
Công nghệ sinh học y dược
Công nghệ sinh học môi trường
Công nghệ sinh học hóa học
Công nghệ sinh học năng lượng
Sơ lược lịch sử công nghệ sinh học


Giai đoạn 1: CNSH truyền thống-Công nghiệp lên men
Giai đoạn 2: CNSH truyền thống-Công nghiệp sản xuất kháng sinh
Giai đoạn 3: Hoàn thiện CNSH truyền thống và bắt đầu CNSH hiện đại
Giai đoạn 4: CNSH hiện đại-Công nghệ gen
Các vấn đề pháp lý của
Công nghệ sinh học hiện đại

An toàn sinh học
Sự chuyển gen bằng hạt phấn
Sự bền vững của DNA ở trong đất
Sự chuyển gen ngang từ thực vật vào vi sinh vật đất
Chuyển gen từ thực vật vào virus
An toàn thực phẩm
Các chất gây dị ứng
Đánh giá độ an toàn của các thực phẩm
Đạo đức sinh học
Quyền tác giả và sở hữu trí tuệ
Quyền tác giả
Sở hữu trí tuệ