Bài giảng Nhập môn Công nghệ sinh học: Chương 1 Nguyễn Vũ Phong

3/3/2015

Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX
•

Các phát minh chủ yếu
1655

Giới thiệu về Công nghệ sinh học
Robert Hooke

1937-1938

Schleiden

Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX
• Các phát minh chủ yếu

Schwann

Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX
• Các phát minh chủ yếu

1859

1868
Tìm ra DNA

Học thuyết tiến hóa

F. Miescher

1860

1865
Quy luật di truyền

Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX
• Phát minh nền tảng của thế kỷ XX

Vi sinh vật học và CNSH vi sinh vật

Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX
• Phát minh nền tảng của thế kỷ XX
02/1997

Nhân bản vô tính động vật

1910-1920

(Animal cloning)

Thuyết di truyền NST
Wilmut và Dolly

1953

1999

Tế bào gốc soma
(Somatic Stem Cell)

26/06/2000

Giải chuỗi ký tự (Sequencing) bộ gen người (Human Genome Projet –HGP)

1


3/3/2015

Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX
• Ứng dụng trong các cuộc cách mạng mới
-

Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX
• Mối liên quan với những ngành khoa học công nghệ trong tương lai
Công nghệ thông tin:

1960: Cách mạng xanh : tăng vọt sản lượng lúa
1970: Công nghệ di truyền phát triển dẫn đến cách mạng công nghệ sinh
học.
genomics, proteomics,
bioethics, biosafety

• Cải thiện chất lượng cuộc sống
- 1975: y sinh học phân tử tạo dòng gene, xác định gene bệnh, tạo protein
tái tổ hợp (insulin, interferon,…), cơ chế chết của tế bào (apoptosis)
- 1995: Y học bộ gene (Genomic medecine)

- Bioinformatics
- Human computer interface

- Biocomputer

Công nghệ nano: Nanotechnology
Công nghệ tự động
- Intelligent systems and robotics: vật liệu kết nối não người và computer
- Biorobot

• Những ý tưởng sáng tạo từ phía sinh học
- Công nghệ nano: mỗi protein và enzyme là một đơn vị siêu nhỏ
- Công nghệ tự động: chế tạo hệ thống tự động hoàn hảo từ cấu trúc và
hoạt động của tế bào

-

Công nghệ vật liệu: lotus effect, chất bám dính như hệ thống chân thằn
lằn

Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX

Công nghệ sinh học là gì?
•

• Mối liên quan với những ngành khoa học công nghệ trong tương lai

Công nghệ sinh học : về cơ bản là công nghệ sử dụng những hệ thống sinh
vật (thường là các vi sinh vật) tạo ra sản phẩm phục vụ cho các mục tiêu
sức khoẻ, xã hội và kinh tế.

• Những ý tưởng sáng tạo từ phía sinh học
• Bộ phận của nền kinh tế tri thức

•

Công nghệ sinh học được đánh giá là công nghệ phát triển của thế kỉ XXI
và công nghệ này sẽ dẫn đến sự phát triển to lớn trong công nghệ sinh học
công nghiệp và thúc đẩy những cơ hội học tập.

•

Sự phát triển của sinh học phân tử và mối liên hệ với các kỹ thuật công
nghệ là kết quả của sự nâng cao hiểu biết và dùng những tiến trình sinh
học cơ bản phục vụ lợi ích thương mại.

Công nghệ sinh học là gì?

Công nghệ sinh học là gì?

Các giai đoạn của công nghệ sinh học
Các lĩnh vực của công nghệ sinh học
CNSH truyền thống

CNSH hiện đại

CNSH phân tử

CNSH ???

• CNSH theo đối tượng nghiên cứu
• CNSH theo lĩnh vực kinh tế xã hội

Các lĩnh vực của công nghệ sinh học

- CNSH y học

• CNSH theo đối tượng nghiên cứu

- CNSH thực phẩm

- CNSH phân tử

- CNSH trong hóa học và vật liệu

- CNSH protein, enzyme

- CNSH nông nghiệp

- CNSH vi sinh vật

- CNSH môi trường

- CNSH thực vật
- CNSH động vật

2


3/3/2015

Công nghệ sinh học là gì?

Công nghệ sinh học là gì ?

Ứng dụng của công nghệ sinh học
Phân tích và chữa trị bệnh ở người, tăng cường sản xuất những chất chữa
trị.

• Công nghệ sinh học được định nghĩa một cách

Phát triển và tăng cường năng suất, phẩm chất các giống cây trồng, vật
nuôi

chung nhất là sử dụng và/hoặc sản xuất các sinh vật

Phát triển và tăng cuờng các tiến trình quản lý côn trùng và dịch bệnh.
Phát triển các đầu dò cảm ứng sinh học (biosensors) trong nghiên cứu chất
ô nhiễm môi trường (environmental pollutants).

để phục vụ lợi ích cho con người.

Phát triển trong các quá trình xử lý chất thải và phương pháp giải độc bằng
thực vật (phytoremediation) các vùng ô nhiễm độc.
Sản xuất các sinh vật biến đổi di truyền ứng dụng trong sản xuất dược liệu,
tăng sự thành công trong di thực các loài cây trồng, vật nuôi.

Công nghệ sinh học là gì?
• Trong thời gian dài, công nghệ sinh học được xem là những tiến trình sử dụng các
tổ chức sống để sản xuất, cải tiến các sản phẩm.

Công nghệ sinh học là gì?
• Khoảng 2 thập kỷ trở lại đây, công nghệ sinh học trở thành ngành khoa học phát

triển với tốc độ rất nhanh và đạt được những thành tựu to lớn
- Kể từ năm1960, sự phát triển nhanh chóng những hiểu biết về di truyền học và

- Người xưa đã dùng vi sinh vật và phương pháp lên men tạo ra bánh mì,
fromage, yogurt, rượu, bia, ...

sinh học phân tử dẫn đến nhiều phát minh và ứng dụng trong công nghệ sinh
học.
- Những bí mật về cấu trúc của phân tử DNA và hoạt động của nó đã dẫn đến

- Một trong những hiểu biết và ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học là

phát minh nhân bản gene và công nghệ di truyền.

sản xuất kháng sinh Penicillin từ nấm Penicillium (A.Flemming, 1928). Năm 1940,

- Thông tin di truyền chứa trong các genes được tìm ra và nghiên cứu hoạt động

Penicillin được sản xuất rộng rãi ở quy mô công nghiệp và thương mại hóa.

của chúng từ đó phát triển sự nghiên cứu tổng hợp những protein đặc biệt.

Công nghệ sinh học là gì?
- Escherichia coli (E. coli),vi khuẩn sống trong dạ dày trở thành sinh vật kiễu
mẫu cho nghiên cứu trong công nghệ sinh học, nhất là trong nghiên cứu tổng
hợp protein.
- Những kỹ thuật được dùng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh
học bao gồm:
(a) tách chiết gene mã hóa cho protein quan tâm,
(b) cloning gene trong tế bào ký chủ thích hợp, và

(c) tăng cường sự thể hiện của gene này bằng cách dùng promoters
mạnh hơn, cách điều kiện điều hoà sự biểu hiện gene

Công nghệ DNA tái tổ hợp (DNA recombinant technology)

Công nghệ sinh học là gì?
• Thông qua công nghệ di truyền, người ta có thể kết hợp nhiều nguồn DNA
khác nhau và tiến trình này gọi là Kỹ thuật tái tổ hợp DNA (recombinant
DNA technology)
• Khoảng 1 thập kỷ trước, công nghệ protein (protein engineering) trở thành
hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng nhờ phát triển dựa trên những
thành tựu của công nghệ tái tổ hợp DNA.
• Công nghệ tái tổ hợp DNA đã tạo ra hàng ngàn ứng dụng trong tạo các
giống cây trồng kháng bệnh hại và có năng suất và chất lượng cao; những vi
sinh vật tái tổ hợp có khả năng phân hủy những chất ô nhiễm môi trường
(bioremediation)

3


3/3/2015

Công nghệ sinh học là gì?
•

Dự án bộ gen người (Human Genome Project ,HGP)

Từ những năm 80 đến đầu những năm 90 người ta đã tạo ra những sinh
vật biến đổi di truyền GMO (genetically modified organism ) có vai trò quan

• HGP hoàn thành vào năm 2003 là sự kết hợp của rất nhiều quốc gia (Mỹ,
Nhật Bản, Trung Quốc, Pháp, Đức …)

trọng trong sản xuất thực phẩm như bò sữa, cừu , cà chua, khoai tây, thuốc

Những thành tựu của HGP

lá và bông vải.
• Việc chuyển gene mong muốn tạo nên những sinh vật biến đổi gene (GMO)
có khả năng chống chịu lại dịch bệnh, tăng năng suất và chất lượng dinh
dưỡng.
• Kỹ thuật tái tổ hợp và công nghệ di truyền dẫn đến sự phóng thích những
sinh vật biến đổi gene vào môi trường. Điều này đòi hỏi phải có những biện

•
•
•
•

Xác định được gần toàn bộ 20,000-25,000 genes trong DNA người,
Xác định được chuỗi 3 tỉ cặp base cấu thành chuỗi DNA người,
Lưu giữ thông tin trong cơ sở dữ liệu,
Nghiên cứu và hoàn thiện thêm nhiều công cụ nghiên cứu, phân tích dữ
liệu
• Chuyển những kỹ thuật công nghệ có liên quan những tổ chức cơ sở tư
nhân

pháp kiểm soát chặt chẽ nhằm đảm bảo an toàn sinh học (biosafety)

Những thành tựu của HGP

• Cho biết vị trí chính xác trên nhiễm sắc thể và mã di truyền của mỗi gene
trong bộ gen người cũng như những tiến trình trong tế bào do những gene
này kiểm soát. Những tính trạng như màu tóc, màu mắt, chiều cao và
những bệnh di truyền…
• Định danh và vẽ bản đồ vị trí của mỗi gen nằm trên từng nhiễm sắc thể.

Hình. Bản đồ gen của Chromosome 13 &
21 với những gene quy định những căn
bệnh di truyền.

CNSH là một khoa học bao gồm nhiều lĩnh vực
Những lĩnh vực ứng dụng Công nghệ sinh học
Công nghệ lên men
• Lĩnh vực quan trọng nhất trong công nghệ sinh học. Phát triển rộng rãi với
những sản phẩm mới như thuốc chữa bệnh, dung môi, protein …
• Bên cạnh những sản phẩm tạo ra, còn những nghiên cứu nhằm thiết kế
những hệ thống lên men (bioreactor) hiện đại và hữu hiệu và tối ưu hóa hệ
thống lên men.

Cây CNSH : những lĩnh
vực khác nhau tạo nên
công nghệ sinh học

4


3/3/2015

Những lĩnh vực ứng dụng Công nghệ sinh học

Những lĩnh vực ứng dụng Công nghệ sinh học

Công nghệ enzyme

Công nghệ sinh học trong môi trường.

Xúc tác những phản ứng hóa học cực kỳ đặc hiệu, hoặc làm bất hoạt các

Ứng dụng công nghệ sinh học trong giải quyết những vấn đề như kiểm soát ô

enzyme và tạo ra những phân tử chuyển hóa. Những sản phẩm được tạo ra

nhiễm, xử lý chất thải độc hại, khám phá kim loại nặng từ chất thải khai

bao gồm L-amino acids, đường cao năng, penicillins bán tổng hợp, tinh bột và

khoáng, quặng mỏ và những phế phẩm từ khai thác quặng mỏ. ….

cellulose thủy phân, etc.
Công nghệ xử lý chất thải

Công nghệ tạo nguồn năng lượng mới.

Chuyển hóa, phân hủy chất thải trong đời sống hàng ngày và trong sản xuất

EX: Dùng lignocellulose tạo ra những nguồn năng lượng thô mới không thông

công nghiệp và tái tạo những nguồn nguyên liệu mới.

qua khai thác tự nhiên như ethanol, methane, và hydrogen, biofuel

Công nghệ sinh học sử dụng những kiến thức từ:
- Hóa sinh (Biochemistry),
- Di truyền học (Genetics),
- Hóa học (Chemistry),
- Vi sinh ứng dụng (Applied Microbiology),
- Công nghệ và quá trình hóa học (Chemical and Process Engineering),
- Toán học (Mathematics) và
- Công nghệ máy tính (Computer Technology).

5


Trên đây chỉ là phần trích dẫn 10 trang đầu của tài liệu và có thế hiển thị lỗi font, bạn muốn xem đầy
đủ tài liệu gốc thì ấn vào nút Tải về phía dưới.