Đang tải... (xem toàn văn)
Với sự phát triển từng bước của ngành vi sinh vật học, sinh học phân tử và di truyền học, các nhà vi sinh vật học y học đã nghiên cứu, nuôi sống và giữ gìn vi sinh vật có ích trong những điều kiện tối ưu, nhằm lợi dụng những hoạt động có ý nghĩa của nó để tạo ra các chế phẩm có ích như: vacxin, kháng sinh, hoocmon,…giúp phòng điều trị bệnh cho người. Ngày xưa cũng như ngày nay,có những căn bệnh có lịch sử rất lâu đời, phổ biến và gây khó khăn,trở ngại cho việc điều trị bằng các dược phẩm hoá học, trong đó có bệnh tiểu đường.Vậy có biện pháp nào khác giúp đỡ các bệnh nhân này? Câu trả lời là vi sinh vật.
Như các bạn đã biết vi sinh vật là những sinh vật vô cùng nhỏ bé không thể trông thấy bằng mắt thường. Tuy nhỏ, nhưng chúng lại có ảnh hưởng vô cùng to lớn đến đời sống của chúng ta. Với sự phát triển từng bước của ngành vi sinh vật học, sinh học phân tử và di truyền học, các nhà vi sinh vật học y học đã nghiên cứu, nuôi sống và giữ gìn vi sinh vật có ích trong những điều kiện tối ưu, nhằm lợi dụng những hoạt động có ý nghĩa của nó để tạo ra các chế phẩm có ích như: vacxin, kháng sinh, hoocmon,…giúp phòng điều trị bệnh cho người. Ngày xưa cũng như ngày nay,có những căn bệnh có lịch sử rất lâu đời, phổ biến và gây khó khăn,trở ngại cho việc điều trị bằng các dược phẩm hoá học, trong đó có bệnh tiểu đường.Vậy có biện pháp nào khác giúp đỡ các bệnh nhân này? Câu trả lời là vi sinh vật. Đối với bệnh tiểu đường, người ta dùng một loại vi sinh vật để điều trị đó là Insulin.Câu hỏi đặt ra ở đây là Insulin co tác dụng gì, với những ưu nhược điểm nào. Sau đây,chúng ta hãy cùng nhau bước vào tìm hiểu các vấn đề này nha! 1 GIỚI THIỆU CHUNG Insulin được 2 nhà sinh lý học người Canada là Fred Banting và Charles Best tìm ra năm 1921. Quá trình nghiên cứu sản xuất insulin có sự đóng góp rất quan trọng của các chú chó. Banting và Best đã cắt bỏ tuyến tụy của những chú chó và hậu quả là chúng bị đái tháo đường. Họ đã cố gắng tinh chiết ra một hormone hóa học từ tụy và chiết xuất nhiều thành phần từ tiểu đảo Langerhan. Sau đó, những chất này được tiêm vào chú chó bị đái tháo đường để thử nghiệm và họ nhận thấy bệnh đái tháo đường bị đẩy lùi. Ban đầu, thuốc tiêm lẫn nhiều tạp chất và thường gây những tai biến nguy hiểm, một đội ngũ các nhà khoa học đã phối hợp nghiên cứu và tạo ra được tinh chất chiết xuất từ tiểu đảo Langerhan, bảo đảm đủ độ tinh khiết để thử nghiệm trên người bệnh. Vào 11 tháng 1 năm 1922, Leonard Thomson-14 tuổi đã được điều trị thành công ở bệnh viện Toronto bằng tinh chất này (insulin). Ông đã sống được đến ngày 20 tháng 4 năm 1935, thọ được 27 tuổi (sau 13 năm 3 tháng tiêm insulin). Collip và MacLeod là những người đầu tiên đã dùng chiết xuất từ tiểu đảo Langerhan (Insulin) để tiêm cho Leonard Thomson tại Toronto (Canada) ngay sau khi Banting và Best chiết suất được vài ngày Năm 1928, Oskar Wintersteiner đã chứng minh rằng insulin là một protein. Năm 1955, Frederick Sanger-người đoạt giải Nobel đã tìm ra chuỗi axit amin của insulin người. Điều này đã cho phép các nhà khoa học tạo ra một gene insulin, dùng để tạo ra chủng vi khuẩn biến đổi di truyền có khả năng sinh ra số lượng lớn insulin với độ tinh khiết cao. Insulin người được sản xuất bằng kỹ thuật di truyền đầu tiên tại Công ty Genetech (Hoa Kỳ) và sản phẩm này được đưa ra thị trường vào năm 1982. Trong lịch sử, đây cũng là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học vào dược phẩm thành công. MỘT SỐ VI SINH VẬT TRONG ĐỜI SỐNG 2 1. KHÁI QUÁT: 1.1 Sơ lược về bệnh tiểu đường: -Tiểu đường là một dạng bệnh do rối loạn chuyển hóa carbon hydrate khi hormone insulin của tuyến tụy bị thiếu hay giảm tác động trong cơ thể, biểu hiện ở mức đường máu luôn cao. -Bệnh tiểu đường có 2 thể bệnh chính: bệnh tiểu đường loại 1 do tụy không tiết ra insulin, loại 2 do tiết giảm insulin và đề kháng insulin. -Biểu hiện: gia đoạn mới phát sinh, người bệnh thường đi tiểu nhiều, tiểu vào ban đêm và kèm theo chứng khô miệng, khát nước. -Nguyên nhân phát sinh bệnh: do insulin tiết ra thiếu hoặc không đủ và tế bào có tính mẫn cảm với insulin giảm thấp, dẫn tới sự rối loạn quá trình trao đổi đường, nước, chất béo và chất điện giảm trong cơ thể. 1.2 Sơ lược về Insulin: 1.2.1 Nguồn gốc: - Insulin là một hormon quan trọng, giúp cơ thể hấp thu glucose - một trong những thành phần chính cung cấp năng lượng cho con người. - Nguồn gốc của insulin: • Từ nguồn gốc động vật • Từ tụy của bò hay lợn. Ngày nay, insulin được tinh chế bằng phương pháp sắc kí độ tinh khiết hóa rất cao. • Insulin người. 3 - Được sản xuất từ insulin động vật qua các phương pháp: • Bán tổng hợp từ insulin lợn. • Tái tổ hợp gen: là loại insulin trung tính đơn thành phần, được sản xuất bằng kỹ thuật tái tổ hợp DNA, sử dụng nấm men làm cơ thể sinh sản đạt đến độ tinh khiết hóa và chất lượng cao nhất, có cấu trúc giống hệt insulin tự nhiên của người, do vậy ít tạo kháng thể và thời gian tác dụng ngắn hơn. 1.2.2 Cấu tạo: - Là một protein gồm 51 aa tạo thành 2 chuỗi polypeptid. Ở hầu hết các loài, chuỗi A gồm 21 aa, chuỗi B gồm 30 aa nối nhau bằng 2 cầu nối S- S(disulfua) - Trọng lượng phân tử khoảng :5800-6000 Dalton 4 Cấu trúc của phân tử insulin Hình 1. Cấu trúc của phân tử insulin Mặc dù trình tự các aaxitamin khác nhau giữa các loài nhưng một số đoạn nhất định của phân tử có tính bảo tồn cao, các đoạn đó có chứa 3 cầu nối disulfua, cả hai đầu của chuỗi A và các nhánh bên của đầu COOH của chuỗi B. Sự tương đồng trong tình tự axitamin dẫn đến cấu trúc 3 chiều của Insulin ở các loài khác nhau rất giống nhau. Insulin chiết rút từ động vật có hoạt tính sinh học cao hơn các loài khác 5 CẤU TRÚC KHÔNG GIAN CỦA INSULIN 1.2.3 Phân loại: -Có 4 loại insulin: • Insulin có tác dung nhanh • Insulin tác dụng bán chậm (trung bình) • Insulin tác dụng chậm • Insulin hốn hợp 1.2.4 Cơ chế: - Thời gian bán hủy 3-5 phút - Bị phá hủy tại đường tiêu hóa bởi enzym proteinase tại dạ dày - Hấp thu tốt bằng đường tiêm. Mức độ phụ thuộc vào nồng độ insulin, vị trí tiêm, độ sâu của mũi tiêm, vận động - Insulin bị chuyển hóa tại gan, thận, cơ. Trong đó 50% tại gan - Đào thải qua thận 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT INSULIN: 2.1 Quy trình sản xuất Insulin trước đây: 2.1.1. Đặc điểm quy trình: 6 Sau khi hai nhà khoa học người Canada ( Frederick G. Bantingvà Charles H. Best )phát hiện ra insulin và vai trò của chúng từ thí nghiệm về những chú chó, từ những thập niên 1920 cho đến những năm đầu của thập niên 1980, insulin được tạo ra bằng cách cô lập từ tuyến tụy của động vật như heo và bò. Tuy nhiên, insulin người có sự khác biệt trong thành phần acid amin so với insulin bò (hai vị trí trong chuỗi A và một vị trí trong chuỗi B) và insulin heo (một vị trí trong chuỗi B). Do đó gây ra những tác dụng không mong muốn (như dị ứng) khi sử dụng insulin có nguồn gốc từ heo hay bò. Ngoài ra, quá trình sản xuất và tinh sạch insulin từ động vật còn gặp nhiều khó khăn. Sau đó, các phương pháp bán tổng hợp insulin người từ insulin heo và bò đã được phát triển bằng các sử dụng phản ứng chuyển peptide (transpeptidation) sử dụng trypsin. Nhược điểm của việc sản xuất Insulin dùng trong lâm sàng chủ yếu có nguồn gốc động vật ( bò và lợn). Tụy của động vật này sẽ được dùng để tách chiết insulin , vì thế cần một lượng lớn tụy mới có thể sản xuất một lượng nhỏ insulin. Việc insulin được sản xuất trực tiếp từ tụy động vật thường có cấu trúc không hoàn toàn giống với insulin người, hoạt động chức năng trong cơ thể kém hơn so với insulin người , khả năng hấp thụ kém, có thể gây ra những phản ứng phụ. Mặt khác trong quá trình tách chiết, không thể loại bỏ hết đươc những tác nhân gây bệnh của động vật, quá trình tách chiết này đòi hỏi kỷ thuật cao, chi phí đắt, không thể sản xuất với qui mô rộng lớn, giá thành cao. 2.1.2. Nhược điểm quy trình sản xuất Insulin chiết xuất từ động vật: - Insulin động vật (bò và lợn) có cấu trúc không hoàn toàn giống cấu trúc Insulin ở người - Hoạt động chức năng trong cơ thể kém hơn so với insulin của người’ - Khả năng hấp thụ kém - Có thể gây ra phản ứng miễn dịch trong cơ thể người( gây dị ứng) 7 - Trong quá trình tách chiết, không loại bỏ hết các tác nhân gây bệnh từ đông vật - Quá trình tách chiết đòi hỏi kỹ thuật cao - Chi phí đắt (do cần lượng lớn tụy để sản xuất insulin) -Không thể sản xuất lượng lớn trên quy mô lớn -Giá thành cao. 2.2 . Quy trình sử dụng công nghệ AND tái tổ hợp để sản xuất Insulin: 2.2.1. Khái quát về công nghệ AND tái tổ hợp: - Kỹ thuật AND tái tổ hợp là tập hợp nhiều kỹ thuật để tạo ra một gen hoặc cả hệ gen ; cải biến cấu trúc của gen, nhằm tạo ra các gen mới rồi chuyển chúng vào trong tế bào, cơ thể chủ nhằm mục đích sản xuất các sản phẩm ( protein, enzym,…), các tế bào, cơ thể có tính trạng mới theo mong muốn - Những hiểu biết sâu sắc về các đại phân tử sinh học là cơ sở khoa học của kỹ thuật gen( kỹ thuật di truyền) mà khởi đầu là kỹ thuật AND tái tổ hợp - Kỹ thuật AND tái tổ hợp gồm các bước cơ bản sau: • Tách chiết tạo ra AND, ARN theo mong muốn ( phân lập gen) • Tạo vector tái tổ hợp ( chuẩn bị vector tách dòng, enzym cắt giới hạn và enzym nối) • Chuyển ( biến nạp) AND tái tổ hợp vào tế bào chủ và nhân dòng gen • Sàng lọc và theo dõi sự hoạt động của gen được chuyển vào trong tế bào chủ, tạo số lượng lớn đoạn AND theo mong muốn để sử dụng vào mục đích khác nhau. 2.2.1.1. Phân lập gen: * Tách chiết AND:tùy theo nguồn axit nucleic,có những kiểu tách chiết khác nhau: 8 - Đối với vi khuẩn, nuôi vi khuẩn thu sinh khối lớn, phá vỡ màng, loại bỏ protein bằng enzim, kết tủa và tinh sạch AND bằng hóa chất, dung môi, dịch chiết thích hợp. - Đối với mô, tế bào động thực vật, nguyên tắc tách chiết AND như trên. Tuy nhiên chúng ta trực tiếp lấy các mẫu sinh phẩm như lông, tóc, thịt, máu, nước bọt., mô thân , rễ, lá…. * Tách chiết ARN: quy trình tương tự tách chiết AND, dịch chiết sau khi làm sạch protein, sử dụng enzim phân hủy AND, kết tủa thu ARN. * Định lượng AND, ARN: sản phẩm sau khi tách chiết cần có độ tinh sạch và hàm lượng đủ cho nghiên cứu, dùng phương pháp đo quang phổ để xác định chỉ số hấp phụ, tù đó đánh giá độ tinh sạch và hàm lượng cần thiết. Hoặc dùng phương pháp điện di trên gel thạch xác định băng AND, ARN, suy ra độ tinh sạch và hàm lượng cần thiết cho nghiên cứu. 2.2.1.2. Tạo vector tái tổ hợp: ► Vector tách dòng: là phân tử AND có kích thước nhỏ, có khả năng gắn các gen cần thiết, tự tái bản, tồn tại trong tế bào chủ và đặc biệt phải mang tín hiệu nhận biết trong tế bào chủ đã mang vector tái tổ hợp -Các loại vector tách dòng thường dùng : Plasmid : phân tử AND dạng vòng, xoắn kép, có trong tế bào chất của vi khuẩn. Phagơ : phần lớn là phagơ Lamda, có hệ gen chứa vị trí thuận lợi cho cài các gen khác nhau, giúp các gen này dễ dàng xâm nhập vào vi khuẩn có khả năng và có khả năng sao chép nhanh. Virut của tế bào nhân thực : virut SV40, adenovirut, retrovirut, virut herpes…được sử dụng trong tách dòng và chuyển gen ở tế bào động vật, thực vật 9 ► Enzym cắt giới hạn: là enzym có khả năng nhận biết một đoạn trình tự trên phân tử AND và cắt AND ở những điểm đặc hiệu. Đồng thời cắt gen từ hệ gen nào đó, cắt vector tách dòng hoặc vector tái tổ hợp, tạo điều kiện gắn các đoạn gen cần thiết. ► Enzym nối Ligasa: là những enzym quan trọng trong tế bào, chúng xúc tác hình thành các liên kết photphodieste để nối các đoạn axit nucleic với nhau. -Có 3 loại enzym nối quan trọng trong Công nghệ di truyền: enzym E.Coli AND tách chiết từ vi khuẩn E.Coli, enzym T 4 AND và enzym T 4 ARN tách chiết từ phage T 4 . Ngoài ra, ngày nay người ta còn sử dụng các đoạn nối (đầu dính - adaptor ) cho các enzym đầu bằng. Adaptor xúc tác nối các đoạn ADN do các enzym cắt đầu bằng từ đó tạo nên đầu sol. Các adaptor đặc trưng riêng cho mỗi loại enzym. Dùng enzym cắt hạn chế từ hai nguồn AND khác nhau, qua khâu nối trộn lẫn sẽ tạo ra sản phẩm AND tái tổ hợp 2.2.1.3. Biến nạp AND tái tổ hợp vào tế bào chủ và nhân dòng gen: - Đưa AND tái tổ hợp vào tế bào chủ theo kỹ thuật biến nạp( chuyển trực tiếp AND tái tổ hợp vào tế bào chủ) – tế bào chủ có thể là vi khuẩn, tế bào động vật, tế bào thực vật; nhờ bộ máy di truyền của tế bào chủ nhân bản AND tái tổ hợp, tạo sinh khối lớn. - Những tế bào chủ chính thường dùng: Vi khuẩn E.Coli: dễ thao tác, ít tốn kém, sinh sản nhanh, tạo dòng AND tái tổ hợp nhanh. Tế bào nấm men, tế bào động vật, thực vật nuôi cấy Invitro; loại tế bào này thường dùng vào mục đích cụ thể; như nghiên cứu điều hòa hoạt động của gen, đột biến gen… - Những phương pháp chủ yếu được dùng để đưa AND tái tổ hợp vào tế bào nhận: 10 [...]... nghĩa của sử dụng công nghệ AND tái tổ hợp để sản xuất insulin: Sản xuất Insulin bằng công nghệ tái tổ hợp là một bước nhảy vọt trong việc chữa trị bệnh tiểu đường Ngoài ra một ý nghĩa khá quan trong khi sử dụng công nghệ này để sản xuất Insulin, đó là hiệu quả kinh tế, khi sử dụng công nghệ này, giá thành sản phẩm hạ khá nhiều mà chất lượng sản phẩm vẫn bảo đảm, chính là nhờ ý nghĩa sản xuất sinh... tham gia quy trình con nghệ ADN tái tổ hợp 2.2.3 Quy trình sản xuất Insulin bằng công nghệ AND tái tổ hợp: Tổng hợp Insulin người là một quá trình sinh hóa gồm nhiều bước, gồm hai phương pháp 2.2.3.1 Phương pháp 1: Tạo ra các chuỗi riêng biệt, kết hợp hoá học hoặc tạo một tiền chất chuỗi đơn proinsulin người, sau đó phân cắt để tạo thành insulin hoàn chỉnh Bước 1: Bằng kỹ thuật tách gen sử dụng trong... thiết để biến proinsulin thành insulin Nhà sản xuất cần hai gen nhỏ đẻ sản xuất hai chuỗi A và B Xác định trình tự ADN để qua đó tổng hợp và tách hai dòng gen này Mỗi ADN được chèn vào plasmit Sau đó sản xuất tương tự như sản xuất proinsulin Cuối cùng hai chuỗi A và B được trộn với nhau và hình thành cầu nối đisulfua qua phản ứng tái oxi hoá khử nhờ một chất oxi hoá nhất định Hình 13 .Sản xuất insulin tái. .. kết hợp thêm insulin tác dụng bán chậm hoặc chậm) Insulin tác dụng bán chậm (dịch tiêm đục như sữa) 19 Để làm giảm bớt số lần tiêm trong ngày, người ta đã sản xuất ra loại insulin có tác dụng dài hơn gồm 2 loại insulin là NPH (Neutral Protamine Hagedorn) hay IZS (Insulin Zinc Suspension) hay lent để sử dụng trong chế độ điều trị với 2 hay 3 mũi tiêm trong ngày Ưu điểm: của các loại insulin tác dụng. .. tái tổ hợp vào E.Coli Sau quá trình biến nạp, cần chọn lọc được những dòng vi khuẩn mang gen mong muốn Qúa trình chọn lọc phụ thuộc vào quy trình và gen đánh dấu trên vector được sử dụng Thông thường là sử dụng laoij gan kháng sinh Ampixilin hoặc Tetraxilin để chọn lọc Sau đó kiểm tra dòng chọn lọc theo nhiều cách khác nhau bằng cách giải đoạn trình tự nucleotic của đoạn gen cài vào vector tái tổ hợp. .. quá trình biểu hiện protein bằng kháng thể chuyên biệt Tiến hành thu nhận và tinh sạch protein tái tổ hợp Bước đầu kiểm tra hoạt tính insulin trên chuột thí nghiệm • Giả insulin : Cải tiến phương thức hoạt động của insulin trong cơ thể người bằng cách thay đổi trình tự axitamin của nó và tạo ra chất tương tự Insulin giả ít kết dính với nhau hơn và khuếch tán vào máu dễ dàng hơn Quy trình sản xuất Insulin. .. thấy nhu cầu sản xuất Insulin bằng vi sinh vật ngày càng tăng,nó thay thế cho các cách tổng hợp Insullin truyền thống là lấy từ tế bào động vật.Biện pháp này làm giảm chi phí rất nhiều so với phương pháp cũ, đồng thời lại thân thiện với môi trường KIẾN NGHỊ: Khuyến khích ứng dụng, phát triển công nghệ sản xuất insulin bằng vi sinh vật: 1.Nhà nước nên đầu tư hợp lý các chi phí cho các công trình nghiên... tượng được chọn để sản xuất insulin là tế bào nấm men Pichia Trong giai đoạn đầu nghiên cứu, nhóm thực hiện tổng hợp gene mã hóa cho insulin Hiện tại nhóm đang tiến hành nhân 17 dòng gene mã hóa cho insulin trên plasmid mang pBluescript Plasmid pBluescript mang gene mã hóa cho insulin sẽ được chuyển nạp vào E coli Khi thành công quá trình nhân dòng gene mã hóa cho insulin, gene mã hóa cho insulin sẽ được... oxi hoá khử nhờ một chất oxi hoá nhất định Hình 13 .Sản xuất insulin tái tổ hợp với chuỗi A và chuỗi B riêng biệt 16 Hình 14: Tổng hợp riêng rẽ hai chuỗi A và B 2.2.4 Các phương pháp sản xuất khác: • Ngày nay, nấm men cũng được sử dụng thay thế cho vi khuẩn E.Coli để sản xuất insulin Có nhiều ưu điểm: tế bào nấm men tạo phân tử insulin người gần như hoàn chỉnh với cấu trúc không gian hoàn hảo Điều đó... 7: Hỗn hợp tinh sạch chỉ còn có insulin Bằng phương pháp sắc ký, tách và phương pháp miễn dịch gắn enzym Độ tinh sạch của insulin được đánh giá qua mỗi giai đoạn trung gian của quá trình sản xuất nhờ phòng thí nghiệm chuyên hoá Cuối cùng insulin được tinh thể hoá 15 Hình 12: Các tinh thể insulin 2.2.3.2 Phương pháp 2: Tổng hợp riêng rẽ hai chuỗi A và B Phương pháp này sẽ tránh được việc sản xuất enzim . cao của tế bào nhân tham gia quy trình con nghệ ADN tái tổ hợp. 2.2.3. Quy trình sản xuất Insulin bằng công nghệ AND tái tổ hợp: Tổng hợp Insulin người là một quá trình sinh hóa gồm nhiều bước,. vector này gọi là vector biểu hiện. 2.2.2. Ý nghĩa của sử dụng công nghệ AND tái tổ hợp để sản xuất insulin: Sản xuất Insulin bằng công nghệ tái tổ hợp là một bước nhảy vọt trong việc chữa trị bệnh. Quy trình sử dụng công nghệ AND tái tổ hợp để sản xuất Insulin: 2.2.1. Khái quát về công nghệ AND tái tổ hợp: - Kỹ thuật AND tái tổ hợp là tập hợp nhiều kỹ thuật để tạo ra một gen hoặc cả hệ