Bài giảng công nghệ sinh học đại cương chương 5 công nghệ sinh học vi sinh và môi trường

CHƢƠNG V.
CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI
SINH & MÔI TRƢỜNG


Khái niệm về CNSH vi sinh
• CNSH vi sinh hay vi sinh vật học công
nghiệp bao gồm sự sử dụng các vi sinh vật
trong việc sản xuất thựuc phẩm hay các sản
phẩmcông nghiệp.


KHÁI NiỆM CNSHSHMT

3
Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa
CNSH, ĐHNNHN


4
Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH,
ĐHNNHN


ĐỊNH NGHĨA

5
Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa
CNSH, ĐHNNHN

Vi sinh vật thuộc 3 nhóm

Eubacteria
(Bacteria)

Archaebacteria
(Archaea)

Eukaryota
(Eukaryotes)


Vi khuẩn (Eubacteria)
• Là các prokaryote Gram-negative và gram-positive
• có thể dạng tự dưỡng (autotrophs) hoặc dị dưỡng
(heterotrophs)

• Có thể sống hiếu khí hoặc yếm khí (aerobic or
anaerobic)
• Ví dụ:

E. coli
Lactobacillus
Agrobacterium

Staphylococcus


Vi khuẩn cổ (Archea)
• Thuộc nhóm cổ xưa nhưng mới được phát hiện gần đây

• Qua phân tích DNA: khác đáng kể so với vi khuẩn thật
• Tìm thấy ở những khu vực sinh thái có điều kiện sống
khắc nghiệt (Extremophiles)

Thermophiles 50- 110°C
Psychrophiles 0- 20°C
Alkaliphiles pH>9

Halophiles 3- 20% salt
Methanogens use H2 + CO2 to produce CH4


Eukaryotes
Chủ yếu là nhóm nấm men, nấm mốc, sinh vật nguyên sinh, tảo
(yeasts/molds, protists, algae)
Các tế bào có dạng túi, hình thành nên các bào tử giới tính
Ví dụ:
Sacchromyces

Penicillium
Aspergillus
Pichia


Các ứng dụng thƣơng mại của vi sinh vật
• Sản xuất các sản phẩm
• Chuyển hóa sinh học/ xúc tác sinh học
(Bioconversion/Biocatalysis)

•Nông nghiệp
•Xử lý ô nhiễm


Lên men (Fermentation) là một quá trình sản xuất các sản
phẩm hữu ích thông qua nuôi cấy sinh khối các tế bào đơn
Sản phẩm cuối cùng hoặc các sản phẩm trung gian (các chất
trao đổi) đƣợc thu hồi và tính sạch cho các mục đích sử dụng
thƣơng mại

Fermenter or
Bioreactor

stirred tank
reactor


15 000L Fermenter

1000L Disposable
Bag

/>_bioreactor/system500/index.html
/>

Loại các sản phẩm được sản xuất từ vi sinh vật
•Amino Acids
•Vitamins
•Food Additives
•Enzymes

•Recombinant Protein Drugs
•Antibiotics
•Fuels

•Plastics


Các ví dụ về các protein biểu hiện ở vi khuẩn

Enzyme: chymosin - the enzyme used
to curdle milk products

Hormone: bST - bovine somatotropin; used to
increase milk production


Ví dụ
1928: Alexander Fleming
discovered the first antibiotic.
He observed that Penicillium
fungus made an antibiotic,
penicillin, that killed S. aureus.
1940s: Penicillin was tested
clinically and mass produced.

Original Penicillium moulds produced less than 10 units of penicillin per ml of
fermentation broth (1943)

By 1955 Penicillium strains produced 8000 units/ml
Mutation with UV, mustard gas, and X-Ray, strain selection / culture improvement

Is this GMO?


Các vi sinh vật đƣợc biến đổi nhƣ thế nào?

• Chọn lọc nhân tạo (Artifical Selection)
• DNA tái tổ hợp (Recombiant DNA)
• Cải biến các quá trình đồng hóa (Metabolic
Engineering)


Recombinant DNA Microbes
Vi sinh vật biến đổi gen được tạo ra khi cDNAs mã
hóa cho các sản phẩm protein được nhân dòng vào
các vector biểu
Gen người được nhân dòng trong vi khuẩn E. coli
Gen từ nhóm extremophile được chuyển đến nhóm
mesophiles
Do sự dễ dàng trong việc nuôi của mesophiles
Mesophiles cũng có mức tăng trưởng 5 đến 10 lần
cao hơn


Enzyme/Drug


Metabolic Engineering,
Biến đổi quá trình đồng hóa, biến đổi các con đƣờng chuyển hóa ở
trong sinh vật để tối ƣu sự sản xuất một hợp chất
Thực hiện bằng cách tắt các gen đặc biệt, hoặc là thông qua đột

biến hoặc loại bỏ gen
Sản phẩm cũng đã đạt đƣợc bằng cách thay đổi môi trƣờng của vi
khuẩn

Cheap Carbon Source

Industrial Chemicals

Metabolically
Engineered Cell
Amino Acids

Vitamins

Chemical Precursors

Biopolymer
s


Glucose

NH4+

NAD+

D-Alanine

NADH
AlaOH

Pyruvate
L-LDH
NADH

Racemase

L-Alanine

100%

L-Alanine

NADH NAD+

NAD+

L-lactate

The microbe is forced to produce alanine at higher than
normal amounts


Carotenoid production in E.coli cells


CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN

Enzymes

Enzymes
Enzym, sản phẩm phổ biến nhất đƣợc sản xuất bởi vi khuẩn

Tổng giá trị của các enzyme công nghiệp là khoảng $ 2,0 billion
Chúng đƣợc tìm thấy trong nhiều đồ gia dụng mà bạn không
bao giờ nghĩ rằng chúng có một thành phần công nghệ sinh học

1

2004 data


Enzyme Name

GE Organism

Use (examples)

-acetolactate
decarboxylase

bacteria

Removes bitter substances
from beer

 -amylase

bacteria

Converts starch to simple sugar

Catalase

fungi

Reduces food deterioration

Chymosin

bacteria or fungi

Clots casein to make cheese

-glucanase

bacteria

Improves beer filtration

Glucose isomerase

bacteria

Converts glucose to fructose

Glucose oxidase

fungi

Reduces food deterioration

Lipase

fungi

Oil and fat modification

Maltogenic amylase

bacteria

Slows staling of breads

Pectinesterase

fungi

Improves fruit juice clarity

Protease

bacteria

Improves bread dough
structure

xylanase (hemicellulase)

bacteria or fungi

Enhances rising of bread dough
/>

Detergent Enzymes