Bài giảng Nhập môn CÔNG NGHỆ SINH HỌC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
KHOA NÔNG HỌC
Bộ môn Công nghệ Sinh học và Bảo quản Chế biến

Bài giảng Nhập mơn

CƠNG NGHỆ SINH HỌC

THÁI NGUN 2009


1. MỤC TIÊU VÀ YÊU CẦU
Môn học trang bị cho sinh viên ngành Công nghệ Sinh
học Nông nghiệp những khái niệm cơ bản, sơ lược lịch sử và
xu thế phát triển của Công nghệ sinh học. Đồng thời cung cấp
những đặc điểm và những ứng dụng của Công nghệ sinh học
trong Nông nghiệp, Công nghiệp, Y – Dược và trong Bảo vệ
môi trường.
Nhập môn Công nghệ Sinh học là môn học cơ sở cung
cấp hệ thống kiến thức giúp sinh viên học tập tốt các môn học
chuyên ngành như: Công nghệ Lên men, Công nghệ Sinh học
thực vật, Công nghệ Sinh học động vật, Công nghệ Di truyền,
Công nghệ Enzyme – Protein.


2. SỐ ĐƠN VỊ HỌC TRÌNH
1 TC (18 tiết lý thuyết)
3. CÁC MÔN HỌC TIÊN QUYẾT
Sinh học Đại cương, Di truyền học, Hóa sinh học, Vi
sinh vật học, Sinh học phân tử

4. GIÁO TRÌNH, TÀI LIỆU THAM KHẢO


GIÁO TRÌNH, TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phạm Thành Hổ (2005) Nhập môn Công nghệ Sinh học, Nhà
xuất bản Giáo dục, Thành phố Hồ Chí Minh.
2. Lê Đình Lương (2002) Ngun lý kỹ thuật di truyền, Nhà xuất
bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội
3. Ngơ Xn Bình, Bùi Bảo Hồn, Nguyễn Thúy Hà (2003) Công
nghệ sinh học, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội.
4. Kiều Hữu Ảnh (1999) Vi sinh vật học công nghiệp, Nhà xuất bản
Khoa học kỹ thuật, Hà Nội
5. Trịnh Đình Đạt (2006) Cơng nghệ di truyền, Nhà xuất bản Giáo
dục, Hà Nội.
6. Vũ Văn Vụ, Lê Hồng Điệp, Nguyễn Mộng Hùng (2006) Công
nghệ tế bào, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
7. Phạm Thị Trân Châu, Phan Tuấn Nghĩa (2006) Công nghệ sinh
học enzym - protein, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
8. Trịnh ThịThanh (2000) Công nghệ vi sinh, Nhà xuất bản Giáo
dục, Thành phố Hồ Chí Minh.
9. Phan Kim Ngọc, Phạm Văn Phúc (2007) Cơng nghệ sinh học
động vật, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
10. Khuất Hữu Thanh (2005) Liệu pháp gen, Nhà xuất bản Khoa
học kỹ thuật, Hà Nội


5. NỘI DUNG
Chương 1. Khái niệm, lịch sử phát triển của CNSH
Chương 2. Kỹ thuật di truyền
Chương 3. Công nghệ sinh học thực vật

Chương 4. Công nghệ sinh học động vật


CHƯƠNG 1

KHÁI NIỆM VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA
CÔNG NGHỆ SINH HỌC
NỘI DUNG
1. Khái niệm Công nghệ sinh học
2. Phân loại Công nghệ sinh học
3. Các ứng dụng của Công nghệ sinh học
4. Sơ lược lịch sử phát triển của Công nghệ sinh học
5. CNSH ở Việt Nam


1. KHÁI NIỆM
Thuật ngữ Công nghệ sinh học (Biotechnology) được
Karl Ereky (Hungary) nêu ra vào năm 1917, để mô tả q
trình chăn ni lợn với quy mơ lớn bằng củ cải đường lên
men. Theo K. Ereky, CNSH là: “toàn bộ dây chuyền sản xuất,
nhờ đó các sản phẩm được tạo ra từ vật liệu thô nhờ các sinh
vật sống”
Năm 1961, C.H.Heden (Thụy Điển) đề nghị đổi tên tạp
chí Microbiology and Biochemical Engineering and
Technology thành tạp chí Biotechnology and Bioengineering
để đăng tải các cơng trình trong lĩnh vực vi sinh ứng dụng và
lên men công nghiệp. Các nghiên cứu về CNSH đã được
phát triển dựa trên các lĩnh vực như vi sinh, hóa sinh và cơng
nghệ hóa học

Thuật ngữ CNSH (Biotechnology) được hiểu theo
nhiều định nghĩa, khái niệm khác nhau. CNSH có thể hiểu
theo hai nghĩa rộng và hẹp
Theo nghĩa rộng, CNSH bao gồm cả những ứng dụng
lâu đời như lên men rượu, bia, là giấm, sữa chua,... và cả
các kỹ thuật hiện đại ngày nay. Theo nghĩa này, CNSH có từ
hàng ngàn năm
Theo nghĩa hẹp, CNSH chỉ liên quan đến những lỹ
thuật hiện đại ngày nay như kỹ thuật di truyền và các kỹ
thuật hiện đại khác. Theo nghĩa này, CNSH được tính từ
năm 1970


CNSH là công nghệ sử dụng các cơ thể sống hoặc
các phần của cơ thể như tế bào để tạo ra hoặc thay đổi các
sản phẩm nhằm cải tiến cây trồng, vật nuôi hoặc phát triển
các vi sinh vật vào các ứng dụng đặc biệt (W.H.Stone, 1987)
CNSH 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 (UNESCO, 1985)
CNSH 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 (ĐH Stanford, Hoa Kỳ, 1995)
CNSH là việc ứng dụng các nguyên lý khoa học kỹ
thuật để biến đổi vật chất bằng các tác nhân sinh học nhằm
cung cấp sản phẩm và ứng dụng (OECD)


CNSH là ứng dụng tổng hợp của sinh hóa học, vi sinh

vật học và các khoa học về công nghệ để đạt tới sự ứng dụng
công nghiệp các năng lực của vi sinh vật, của các tế bào, các
tổ chức ni cấy và các thành phần của chúng (Liên đồn
CNSH châu Âu)
Công nghệ sinh học là tập hợp các ngành khoa học
(Sinh học phân tử, Di truyền học, Vi sinh vật học, Sinh hố
học và Cơng nghệ học) nhằm tạo ra các công nghệ khai thác
ở qui mô công nghiệp các hoạt động sống của vi sinh vật tế
bào thực vật và động vật. (NQ 18 CP/1994 về phát triển
CNSH ở VN)


Như vậy có thể tổng quát hóa khái niệm về CNSH
như sau: CNSH là các quá trình sản xuất ở quy mơ cơng
nghiệp có sự tham gia của các tác nhân sinh học (ở mức độ
cơ thể, tế bào, dưới tế bào) dựa trên những thành tựu tổng
hợp của nhiều ngành, nhiều bộ môn khoa học, nhằm phục
vụ việc tăng sản phẩm vật chất cho xã hội và bảo vệ lợi ích
cho con người
Theo quan điểm hiện đại, các tác nhân sinh học tham
gia vào quá trình trên là những giống vi sinh vật mới hoặc
các sản phẩm của chúng được tạo ra nhờ kỹ thuật di truyền
hiện đại (công nghệ gen)
Hoặc có thể hiểu đơn giản CNSH là cơng nghệ sử
dụng các quá trình sinh học của các tế bào sinh vật tạo ra
các sản phẩm phục vụ con người


Từ định nghĩa trên có thể thấy:
- CNSH khơng phải là một bộ môn khoa học thuần

thúy mà là một phạm trù sản xuất
- CNSH không chỉ tạo thêm ra của cải vật chất mà
còn hướng vào việc bảo vệ và nâng coa chất lượng cuộc
sống con người
- Công nghệ gen được coi là chìa khóa của CNSH
- CNSH có tính ứng dụng cao, tuy nhiên hàng loạt
những kỹ thuật của CNSH đã, đang và sẽ là những công cụ
sắc bén trong nghiên cứu cơ bản


CNSH dựa trên thành tựu của nhiều ngành khoa học
khác nhau, chủ yếu bao gồm sinh học phân tử, tế bào học,
hóa sinh học, di truyền học, vi sinh vật học, miễn dịch học,
công nghệ học

Bản chất đa ngành của Công nghệ sinh học


Xuất phát từ thực tiễn lịch sử, người ta phân biệt CNSH làm
hai loại:
CNSH truyền thống (Traditional Biotechnology): khai
thác các nguyên lý và quá trình sinh học dựa trên những hiểu
biết sơ đẳng và kinh nghiệm thực tiễn của loài người.
VD: lên men rượu, bia, làm bánh mỳ, dấm,…
CNSH hiện đại (Modern Biotechnology) là quá trình
nghiên cứu, khai thác các nguyên lý sinh học dựa trên các
kiến thức khoa học tiên tiến và những phương pháp nghiên
cứu hiện đại
VD: Nghiên cứu hệ gen, hệ protein, sinh vật biến đổi gen,
động vật nhân bản, tin sinh học,....

2. PHÂN LOẠI
Theo đối tượng nghiên cứu CNSH được chia thành các
nhóm sau:
Cơng nghệ gen (gene technology) hay kỹ thuật di
truyền (genetic technology)
Công nghệ sinh học vi sinh vật (Microbial
Biotechnology).
Công nghệ sinh học thực vật (Plant Biotechnology)
Công nghệ sinh học động vật (Animal Biotechnology)
Công nghệ sinh học enzyme – protein (Enzyme
Biotechnology)


Theo đối tượng phục vụ, CNSH được chia thành các nhóm
sau:
CNSH Nơng nghiệp (trồng trọt và chăn ni)
CNSH trong Y – Dược
CNSH trong Cơng nghiệp (thực phẩm, hóa chất, năng
lượng)
CNSH môi trường


3. Các ứng dụng của CNSH
3.1. CNSH trong nông nghiệp
CNSH thực vật:
- Công nghệ vi nhân giống: Nhân nhanh các giống có giá
trị cao như hoa, cây cảnh, dược liệu, ăn quả, lâm nghiệp, ….
- Làm sạch bệnh cây trồng bằng phương pháp nuôi cấy

đỉnh sinh trưởng
- Bảo tồn nguồn gen
- Cứu phôi trong các kỹ thuật lai xa, đa bội thể
- Cơng nghệ đơn bội tạo các dịng thuần
- Gây đột biến tế bào soma trong chọn tạo giống
- Thực vật chuyển gen
- Chọn giống phân tử


Công nghệ sinh học động vật
- Công nghệ sinh học sinh sản: Thụ tinh nhân tạo, thụ
tinh in vitro, cấy truyền phôi
- Liệu pháp hormon gây rụng trứng nhiều
- Động vật chuyển gen mang các đặc tính quý: cho sữa,
thịt nhiều, sản xuất một số biệt dược
- Các chế phẩm sinh học trong chăn nuôi: vacxin, kháng
sinh, thức ăn chăn nuôi


3.2. Công nghệ sinh học Y – Dược
- Các loại kháng sinh, chất diệt khuẩn, các loại vitamin,
chất bổ dưỡng
- Các biện pháp, kỹ thuật chẩn đoán phân tử: PCR,
kháng thể đơn dòng, lai phân tử
- Các loại vacxin trong phịng bệnh truyền nhiễm
- Các loại sinh dược có giá trị như insulin, interferon,
hormon
- Liệu pháp gen
- Y học tái sinh

3.3. Công nghệ sinh học trong công nghiệp
- Công nghiệp hóa chất: sản xuất các enzyme, hóa
chất thơng dụng, chất xúc tác sinh học
- Công nghiệp thực phẩm: sản xuất rượu, bia, sữa,..
- Công nghiệp năng lượng: nhiên liệu sinh học
- Cơng nghiệp khai khống: Dùng vi sinh vật để tuyển
khống sản q như đồng, kẽm, coban
3.4. Cơng nghệ sinh học trong bảo vệ môi trường
- Công nghệ phân hủy sinh học
- Chỉ thị sinh học trong công tác quản lý môi trường


4. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
CNSH đã có lịch sử từ lâu đời, có thể chia thành 3 giai
đoạn như sau:
Giai đoạn từ trước 1900:
Từ thời xa xưa, con người đã biết sử dụng các loài vi sinh
vật để chế biến và bảo quản thực phẩm như lên men rượu, sản
xuất giấm ăn. CNSH ở mức thô sơ mang tính kinh nghiệm, sản
xuất với trình độ thủ cơng và với quy mô nhỏ


Giai đoạn từ 1900 – 1970:
- Hiểu biết về sinh lý, sinh hóa, di truyền của sinh vật,
đặc biệt là vi sinh vật và đã áp dụng vào sản xuất
- Công nghệ lên men phát triển sản xuất cồn, axeton
- Công nghệ sản xuất kháng sinh, vitamin, enzyme
Hai gia đoạn này có thể được xếp vào cơng nghệ sinh học
truyền thống

Giai đoạn từ 1970 trở lại đây
- Công nghệ sinh học hiện đại ra đời, nền tảng là công
nghệ ADN tái tổ hợp.
- Công nghệ sinh học hiện đại đã phát triển nhanh
chóng và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y
học, công nghiệp
CNSH được coi là ngành khoa học của thể kỷ 21


CÁC MỐC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
BIOTECHNOLOGY TIMELINE
8000-4000 B.C.E.

Con người đã thuần hóa, sử dụng các giống vật ni, cây
trồng
Làm giấm, bánh mì, đồ uống


CÁC MỐC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
BIOTECHNOLOGY TIMELINE

1797, Edward
Jenner (Anh) chế tạo
vaccin đầu tiên phòng
bệnh